Die spielerische Erschließung des IceCube Experiments Ein Lernparcours A Game to Understand the IceCube Experiment Masterarbeit in Physik im Fachbereich Physik, Mathematik und Informatik gem¨ aß § 15 Ordnung f¨ ur die Pr¨ ufung im Masterstudiengang f¨ ur das Lehramt an Gymnasien an der Johannes Gutenberg-Universit¨ at Mainz Mainz, den 20.06.2018 vorgelegt von Johanna Magdalena Schneider geboren am 13.03.1995 10. Fachsemester M. Ed. Physik und Englisch, Erweiterungsfach katholische Religion Matrikelnummer: 2707894 in Zusammenarbeit mit Anna Arent geboren am 10.09.1993 11. Fachsemester M. Ed. Physik und Englisch, Erweiterungsfach katholische Religion Matrikelnummer: 2706253 1. Gutachter: Prof. Dr. Sebastian B¨ oser 2. Gutachter: Prof. Dr. Frank Fiedler
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Die spielerische Erschließung desIceCube Experiments
Ein Lernparcours
A Game to Understand the IceCube Experiment
Masterarbeit
in Physik im Fachbereich Physik, Mathematik und Informatikgemaß § 15 Ordnung fur die Prufung im Masterstudiengang fur das Lehramt an
Gymnasien an der Johannes Gutenberg-Universitat Mainz
Mainz, den 20.06.2018
vorgelegt von
Johanna Magdalena Schneider
geboren am 13.03.199510. FachsemesterM. Ed. Physik und Englisch,Erweiterungsfach katholische ReligionMatrikelnummer: 2707894
in Zusammenarbeit mit
Anna Arent
geboren am 10.09.199311. FachsemesterM. Ed. Physik und Englisch,Erweiterungsfach katholische ReligionMatrikelnummer: 2706253
1. Gutachter: Prof. Dr. Sebastian Boser2. Gutachter: Prof. Dr. Frank Fiedler
Abstract
Particle Astrophysics is an important and thriving field of modern physics with ma-ny large international experiments. However, modern Particle Astrophysics is scarclytaught at German schools because it is not included as major topic in most curricu-la. This thesis aims at improving this situation by developing a game on the IceCubedetector, which is one example of an important Astrophysical research facility. The ga-me aims at students from age 14 onwards, does not require any prior knowledge andtakes 90 minutes. Students get together in teams of
’researchers‘ and face different
challenges similar to those an empirical researcher meets when developing, planningand conducting an experiment. The game has been succesfully tested with five Ger-man school groups with students aged 14 to 15. The large number of schools willingto test the game showed the general interest in the topic and very positive studentand teacher feedback indicate its high quality.
Zusammenfassung
Die Astroteilchenphysik ist ein wichtiges und stark wachsendes Gebiet der modernenPhysik mit vielen aufwendigen internationalen Forschungsprojekten. Im Physikunter-richt in deutschen Schulen werden Themen der Astroteilchenphysik jedoch nur sehrselten behandelt, da sie in kaum einem Lehrplan als Pflichtthemen enthalten sind.Diese Arbeit mochte diese Situation andern, indem ein Lernparcours entwickelt wird,der das IceCube-Experiment, eines der wichtigsten Forschungsprojekte der aktuellenAstrophysik, spielerisch erschließt. Der Lernparcours richtet sich an Schuler ab der 9.Klasse, erfordert kein spezielles Vorwissen und dauert 90 Minuten. Die Schuler bildenForscherteams in denen sie verschiedene Stationen durchlaufen und gemeinsam Pro-bleme und Aufgaben losen, die dem realen Forschungsprozess nachempfunden sind.Der Parcours wurde erfolgreich mit funf 9. Klassen getestet. Die große Zahl an Schu-len, die bereit waren den Lernparcours zu testen, zeigt das allgemeine Interesse amThema und die positiven Ruckmeldungen der Schuler und Lehrer weisen auf die hoheQualitat des Parcours hin.
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours 32.1. Einfuhrung in die Astronomie und Astroteilchenphysik . . . . . . . . . 3
”Die Neugier steht immer an erster Stelle eines Problems, das gelost werden will“,
stellte schon Galileo Galilei fest. Probleme, Ratsel und Fragen bietet die Astroteil-chenphysik als eines der aktuellsten experimentellen Forschungsgebiete unserer Zeitzur Genuge. Doch im schulischen Kontext hat sie kaum eine wirkliche Chance, Neu-gier zu wecken. Wahrend sich die Astroteilchenphysik in den meisten Mittelstufenlehr-planen gar nicht findet, ist sie in vielen Oberstufenlehrplanen eine von vielen Optionenfur das letzte, hauptsachlich von Abiturvorbereitungen bestimmte Halbjahr. De factoist sie im Physikunterricht in der Regel also nicht prasent.
Dieser Situation soll mit dem von uns entwickelten Lernparcours begegnet werden.Mit dem Lernparcours wird die Bedeutung der Astroteilchenphysik zum Beispiel beider Entdeckung vieler kleinster Teilchen in der kosmischen Strahlung in den letztenhundert Jahren anerkannt und die Faszination mit dem Allerkleinsten, den Elementar-teilchen, und gleichzeitig dem Allergroßten, dem Universum, weitergegeben. Da sowohldas Allerkleinste als auch das Allergroßte die Menschheit schon seit jeher faszinieren,bietet der Lernparcours durch die Astroteilchenphysik sogar ein besonderes Begeis-terungspotenzial , das sich positiv auf die Einstellungen der Schuler zur gesamtenPhysik auswirken konnte. Damit diese Begeisterung bei den Schulern geweckt wird,orientiert sich der Lernparcours an den Prinzipien der Kontextorientierung. Exem-plarisch wird das IceCube-Experiment und seine Forschung zu bisher unbekanntenhochenergetischen Quellen im Universum betrachtet. Das ausgewahlte Fachwissen,das orientiert an anschlussfahigen Basiskonzepten und Modellvorstellungen betrach-tet wird, tritt dabei vor der Forderung naturwissenschaftlicher Kompetenz in denHintergrund. Oberstes Ziel ist es, den praxisorientierten Forschergeist der Schuler, ih-re Neugier, zu wecken und so die Vorbedingung zur begeisterten Auseinandersetzungmit physikalischen Problemen zu schaffen.
In der Praxis ergibt sich daraus ein Lernparcours, der mit der Dauer einer Doppel-stunde, trotz oft mangelnder Prasenz des Themas in den Lehrplanen, im Schulkon-text umsetzbar ist. Entsprechend kann er kein thematisches Vorwissen voraussetzenund seine Eignung ab der neunten Klasse bedingt sich vor allem in den notwendigenMethodenkompetenzen. Der praxisorientierte Forschergeist wird gefordert, indem dieSchuler einen, den realen Ablaufen nachempfundenen Forschungsprozess durchlaufen.Von der Forschungsfrage uber den theoretischen Hintergrund, erste Vorexperimente,Uberlegungen zu Messmethoden und Standorteigenschaften bis hin zum Werben umFordergelder, dem Detektorbau und schließlich einer ersten Messung im Rahmen einesVirtual-Reality-Spiels forschen die Schuler in Teams zu hochenergetischen Quellen imWeltraum. Der Lernparcours ermoglicht dabei nicht nur einmalige Einblicke in einsonst dem Unterricht fremdes Thema, sondern fordert in der naturwissenschaftlichen
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1. Einleitung
Forschung notwendige Kompetenzen wie Kommunikation, Kooperation und verschie-denste Problemlosestrategien. Das Ganze geschieht im Rahmen eines Spiels, sodassFreude und Spaß mit komplexer Physik verknupft werden.
Die dem zu Grunde liegende Arbeit fuhrt zunachst in den physikalischen Rah-men von den Grundlagen der Astroteilchenphysik bis hin zum Aufbau des IceCube-Detektors ein. Dabei geht es weder um physikalische Tiefe noch um Vollstandigkeit,sondern um einen fur Lehrkrafte hilfreichen Uberblick uber die physikalischen Inhal-te des Lernparcours. In einem nachsten Schritt wird das Thema in der DidaktischenAnalyse im Kontext Schule begrundet, in den Lehrplan eingeordnet und dann didak-tisch reduziert. Die konkrete Umsetzung grundet sich auf didaktische Methoden, diezunachst allgemein erlautert und dann konkret angewandt werden, woraus sich dasGesamtkonzept des Lernparcours und die konkrete Ausgestaltung der zwolf Stationenergibt. Der Lernparcours wird schließlich anhand von Schulerfeedback sowie Erfah-rungen bei der Durchfuhrung aus Spielleitersicht evaluiert.
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2. Physikalischer Rahmen desLernparcours
Der physikalische Rahmen richtet sich in erster Linie an interessierte Lehrer und ande-re potentielle Spielleiter, die nicht oder kaum uber Wissen zum IceCube-Experimentund zur Neutrinoastronomie verfugen. Dieses Kapitel bietet einen Uberblick und eineZusammenfassung der fur diese Zielgruppe relevanten Informationen zum Lernpar-cours. Eine exakte technische und physikalische Beschreibung des Detektors und sei-ner Funktionsweise sind dafur nicht zielfuhrend. Zum Verstandnis der Motivation desExperimentes und zur Einordnung in einen großeren Kontext, erfolgt zunachst eineEinfuhrung und Motivation der Astroteilchenphysik. Außerdem werden das Standard-modell der Elementarteilchen und die kosmische Strahlung vorgestellt. Als Uberleitungzum IceCube-Detektor folgt eine kurze Ubersicht und Motivation der Neutrinoastro-nomie. Schließlich wird der Aufbau und die Funktionsweise des Detektors auf einemohne besonderes Vorwissen verstandlichen Niveau erlautert.
2.1. Einfuhrung in die Astronomie und Astroteilchenphysik
Die Astroteilchenphysik ist ein relativ neues, aber stark expandierendes Gebietder Physik (Grupen, 2018). Da dieses Gebiet im Lehramtsstudium Physik - wennuberhaupt - einen sehr kleinen Raum einnimmt, wird es in diesem Abschnitt kurzvorgestellt und in den wissenschaftlichen Kontext eingeordnet.
2.1.1. Astrophysik
Die Astronomie war schon immer eine Observationswissenschaft, wobei die historischwichtigste Form der Beobachtung aufgrund der Beschaffenheit des menschlichen Au-ges die Beobachtung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist(Lena, 2012, S. V). Dabei kann das menschliche Auge bereits Informationen von Ob-jekten sammeln, die drei Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt sind, wie dieAndromeda Galaxie. Der vielleicht bedeutendste Fortschritt in der Beobachtung desWeltalls stellt die Entwicklung von Galileis Teleskop dar. Sie verbesserte die Obser-vationsmoglichkeiten im Vergleich zum menschlichen Auge enorm (Carrol und Ostlie,2007, S. 141). Bis Ende des zweiten Weltkrieges blieben astronomische Beobachtungs-instrumente trotz technischer Fortschritte im Großen und Ganzen auf den sichtba-ren Bereich des elektromagnetischen Spektrums begrenzt. In den 50er Jahren folgtendann rasante Fortschritte: Auf die Entwicklung der Radioastronomie folgten bald dieEntwicklung von Infrarot-, Ultraviolett, Rontgen- und Gammastrahlungsastronomie
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Abbildung 2.1.: Die Milchstraße in unterschiedlichen Wellenlangenbereichen (Nasa,2015)
(Lena, 2012, S. V). Diese Techniken wurden immer weiter ausgebaut um immer bes-sere Karten des Universums im Licht des gesamten elektromagnetischen Spektrumszu erstellen. Abbildung 2.1 zeigt anschaulich, wie unterschiedlich die Milchstraße inverschiedenen Wellenlangenbereichen aussieht.
Die Ubertragung der Informationen durch elektromagnetische Strahlung wird al-lerdings durch die Bedingungen entlang ihrer Bahn beeinflusst. So wird durch un-terschiedliche Effekte elektromagnetische Strahlung verschiedener Wellenlangen aus-geloscht. Beispielsweise absorbiert Wasserstoff in einigen Bereichen des Universumsjede elektromagnetische Strahlung unter 91, 3 nm Wellenlange. Die Absorption undStreuung durch interstellaren Staub werden fur elektromagnetische Strahlung kurzererWellenlangen großer und hochenergetische Gamma- und Rontgenphotonen verlierenEnergie durch den Compton-Effekt und treffen als Strahlung im sichtbaren Bereichauf die Erde. Das letzte große Hindernis ist dabei die Atmosphare, in der besondersviel elektromagnetische Strahlung abgelenkt und absorbiert wird. Die Informationen,die durch die Elektromagnetische Strahlung an den Beobachter ubermittelt werden,wurden also auf ihrem Weg zur Erde verandert (Lena, 2012, S. 4).
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
2.1.2. Astroteilchenphysik
Neben elektromagnetischer Strahlung erreichen die Erde unaufhorlich Teilchen ausdem Weltall, die ebenfalls Informationen ubertragen (Lena, 2012, S. 5). Die Untersu-chung dieser Materieteilchen verknupft die Astrophysik mit der Physik der Elementar-teilchen. Auch fur das Verstandnis der Entwicklung des Universums, von Supernovae,Sternen und anderen Phanomenen ist diese Verknupfung zentral. Klapdor schreibtdazu im Jahr 2000:
”Die letzten beiden Jahrzehnte haben eine Explosion der Ent-
wicklungen in den Feldern Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie gesehen. Teil-chenphysik ist ein wichtiges Instrument der Erforschung des Universums geworden.“(Klpador-Kleingrothaus und Zuber, 2000, S. XI). Die Astroteilchenphysik versucht al-so, einige der fundamentalen Probleme der modernen Physik durch die Kombinationder Informationen aus unterschiedlichen Gebiete zu losen.
Teilchenphysik und Astrophysik erganzen sich dabei und profitieren gegenseitigvon Erkenntnissen und Fortschritten. So laufen astrophysikalische und kosmologischeProzesse mit Energien jenseits der Moglichkeiten der besten Beschleuniger auf derErde ab und liefern so Einblicke in hohere Energiebereiche. Astrophysikalische Neu-trinoquellen wiederum helfen bei der Untersuchung der Eigenschaften von Neutrinos,die eine Schlusselfunktion bei der Theorie der Struktur der Elementarteilchen haben(Klpador-Kleingrothaus und Zuber, 2000, S. XI).
2.2. Standardmodell der Elementarteilchen
Die Astroteilchenphysik verzahnt also die Astrophysik mit der Physik der Elementar-teilchen. Fur ein grundlegendes Verstandnis der Methoden der Astroteilchenphysiksind deshalb Grundkenntnisse der Physik der Elementarteilchen erforderlich. DieTheorie des Standardmodells der Elementarteilchen ist grundlegend fur die aktuelleForschung der Teilchen- und Astroteilchenphysik und wird deshalb an dieser Stelle zu-sammengefasst und vorgestellt. Wir beziehen uns dabei vor allem auf Grupen (2000).Als etwas umfassendere einfuhrende Lekture in das Thema sei an dieser Stelle be-sonders Freytag und Osterhage (2016) empfohlen. Eine typische graphische Ubersichtuber die Teilchen des Standardmodells findet sich in Abbildung 2.2.
Wie schon im letzten Abschnitt beschrieben, untersucht die Teilchenphysik diekleinsten Strukturen der Materie. Weitgehend bekannt ist heute, dass der Atomkernaus Kernbausteinen zusammengesetzt ist, den Nukleonen (Grupen, 2018, S. 27). In denletzten Jahrzehnten konnten durch bessere instrumentelle Auflosung immer kleinereStrukturen der Materie erkannt werden. Die kleinsten auflosbaren Strukturen sind da-bei so klein, dass sie als punktformig angenommen werden. Diese kleinsten Teilchenheißen Elementarteilchen. Das Standardmodell der Elementarteilchen ist die Theo-rie, die die Elementarteilchen, ihre Eigenschaften, Ordnung und Wechselwirkungenbeschreibt. Die grundlegende Theorie des Standardmodells ist eine Feldtheorie.
Zwischen Elementarteilchen wirken verschiedene Wechselwirkungskrafte. Man un-terteilt diese Krafte in die starke, schwache, elektromagnetische und gravitative Wech-selwirkung. Die Trager der Wechselwirkung sind die sogenannten Bosonen, die in
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Abbildung 2.2.: Standardmodell der Elementarteilchen, (Commons, 2006)
Abbildung 2.2 rot eingefarbt sind: Das Photon fur die elektromagnetische, W- undZ-Bosonen fur die schwache und Gluonen fur die starke Wechselwirkung. Um ubereine bestimmte Wechselwirkung wechselwirken zu konnen, muss das Teilchen die pas-sende Ladung tragen: Die schwache Ladung fur die schwache Wechselwirkung, Farbla-dung fur die starke Wechselwirkung und elektrische Ladung fur die elektromagnetischeWechselwirkung.
Das erst 2012 nachgewiesene Higgs-Boson wechselwirkt uber das sogenannte Higgs-Feld, von dem angenommen wird, dass es fur die Masse derElementarteilchen ver-antwortlich ist. Das Graviton der gravitativen Wechselwirkung konnte bislang nichtnachgewiesen werden und ist daher in der graphischen Ubersicht nicht eingezeichnet(Grupen, 2018, S. 28). Allen Bosonen ist gemeinsam, dass sie einen ganzzahligen Spin(Eigendrehimpuls) haben. Streuexperimente mit Elektronen und Atomkernen zeigen,dass selbst die Kernbausteine des Atomkerns, die Protonen und Neutronen, eine in-nere Struktur haben (Grupen, 2018, S. 27). Die Konstituenten der Kernbausteinesind die Quarks, wobei im einfachen Quarkmodell ein Nukleon aus drei Quarks auf-gebaut ist. Die Quarks sind in Abbildung 2.2 violett eingefarbt. Die Wechselwirkungder Quarks untereinander wird von der Quantenchromodynamik beschrieben. Nach
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
aktuellem Erkenntnisstand kommen Quarks nur gebunden vor, man spricht vom’con-
finement‘ (Einschluss) der Quarks. Neben den Nukleonen gibt es weitere Teilchen,die aus Quarks zusammengesetzt sind. Die Gruppe dieser Teilchen heißt Hadronen(Grupen, 2018, S. 27).
Die zweite Gruppe der Teilchen im Standardmodell der Elementarteilchen sind dieLeptonen. Es sind drei geladene Leptonen bekannt, die schwache und elektromagneti-sche Ladung tragen: Elektron, Myon und Tauon. Zu jedem geladenen Lepton gehortein elektrisch ungeladenes Neutrino (Grupen, 2018, S. 29). Es gibt also drei unter-schiedliche Sorten von Neutrinos, wobei man im Englischen vom Flavour der Neutri-nos spricht: Elektronneutrino, Myonneutrino und Tauneutrino. In Abbildung 2.2 sinddie Leptonen grun eingefarbt. Leptonen und Quarks gehoren gemeinsam zur Kate-gorie der Fermionen. Das gemeinsame Merkmal aller Fermionen ist dabei, dass alleFermionen einen halbzahligen Spin besitzen. Zu jedem elementaren Fermion gehort einAntifermion, das in allen Eigenschaften mit dem Teilchen ubereinstimmt, außer, dassdie ladungsartigen Quantenzahlen (elektrische Ladung, Farbladung) entgegengesetztsind.
2.3. Kosmische Strahlung
Die kosmische Strahlung ist wegen ihrer zahlreichen Moglichkeiten fur physikalischeExperimente und ihrer historischen Bedeutung fur die Entwicklung der Astroteilchen-physik von großer Bedeutung (Grupen, 2018, S. 4) und bis heute ein großes Teilgebietder Physik (Klpador-Kleingrothaus und Zuber, 2000, S. 223). So wurden beispielswei-se in den 50er und 60er Jahren neue Elementarteilchen uberwiegend in der kosmischenStrahlung entdeckt (Grupen, 2018, S. 4).
Bei der kosmischen Strahlung handelt es sich nicht um elektromagnetische Strah-lung, sondern um geladene Materieteilchen. Die kosmische Strahlung trifft die Erdemit einer Rate von etwa 1.000 Ereignissen pro cm−2 s−1 und wurde schon 1912 vonHess mit Hilfe eines Ballons nachgewiesen (Klpador-Kleingrothaus und Zuber, 2000, S.223). Die kosmische Strahlung besteht aus Teilchen, die in galaktischen und extraga-laktischen Quellen beschleunigt wurden. Im Bereich niedriger Energien (GeV) stammtein großer Teil der kosmischen Strahlung von der Sonne. Ublicherweise bezeichnet mandabei die direkt in den Quellen beschleunigten Teilchen als primare Strahlung (Gru-pen, 2000, S. 62). Die primare kosmische Strahlung besteht uberwiegend aus Elektro-nen und Atomkernen, von Protonen bis schweren Kernen wie Eisen (Lena, 2012, S.6). Dabei entfallen 98% auf Kerne und 2% auf Elektronen. Die Kerne sind zu 87%Protonen, 12% α-Teilchen und 1% schwere Kerne. Die Teilchen der kosmischen Strah-lung decken eine sehr hohe Energiespanne ab, weswegen verschiedene experimentelleStrategien notwendig sind, um sie zu untersuchen (Klpador-Kleingrothaus und Zuber,2000, S. 223).
Neben der Untersuchung der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung ist einwichtiges Ziel die Lokalisierung der Quellen der Strahlung. Viele Quellen der kos-mischen Strahlung sind bereits bekannt, darunter unsere Sonne. Allerdings sind so-
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Abbildung 2.3.: Schematische Darstellung von Proton- und Eisenkerntrajektorien inunserer Milchstraße bei 1018 eV (Grupen, 2018, S.124)
lare kosmische Strahlungen im Vergleich zum Gesamtenergiebereich der kosmischenStrahlung relativ niederenergetisch (Carrol und Ostlie, 2007, S. 550). Als Quelle derhoherenergetischen Strahlung kommen Supernovae in Frage, wobei neuere Experi-mente darauf hinweisen, dass diese die kosmische Strahlung im hochsten gemessenenEnergiebereich nicht erklaren konnen (Carrol und Ostlie, 2007, Grupen, 2018, S. 550).Der Ursprung dieser hochenergetischen kosmischen Strahlung ist also immer nochungeklart, wobei die hochstenergetischsten Teilchen der kosmischen Strahlung extra-galaktischen Ursprungs zu sein scheinen (Grupen, 2018, S. 114).
Bei den Versuchen, die Quellen mit Hilfe der geladenen Teilchen zu lokalisierenergibt sich ein Problem. Auf ihrem Weg durch das Universum mussen die Teilchenextragalaktische und galaktische Magnetfelder durchqueren, deren Entstehung nichtabschließend geklart ist. Die geladenen Teilchen wechselwirken auf ihrem Pfad durchdas Universum mit diesen Magnetfeldern, wodurch sich die beschleunigten Teilchenauf gekrummten Bahnen bewegen. Dies gibt den Teilchen eine hohe isotrope raumlicheVerteilung, sodass eine Rekonstruktion der ursprunglichen Richtung und Ursprung derTeilchen quasi unmoglich wird (Grupen, 2018, Lena, 2012). Die geladenen Teilchenunterhalb von hohen Energien (etwa 1014 eV) tragen demnach keine Information uberihren Ursprungsort (Grupen, 2018, S. 115). Selbst fur extrem hohe Energien ober-halb von 1018 eV mussten die Topologien der kosmischen Magnetfelder berucksichtigtwerden, die noch unzureichend bekannt sind. Außerdem musste aufgrund der weitenEntfernung einiger Quellen die Entwicklung der Topologie der Felder uber mindestendie letzten 50 Millionen Jahre bekannt sein, da die Teilchen durch ihre gekrummtenBahnen fur den Weg zur Erde langer brauchen als Licht. Da die magnetische Ab-lenkung proportional zur Ladung der Teilchen ist, sind Protonen eher geeignet alsschwerere Kerne (Grupen, 2018, S. 116), wie in Abbildung 2.3 dargestellt ist.
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Die Richtungsinformation bleibt aber nur fur sehr hochenergetische Protonen (uber1018 eV) erhalten. Fur Protonen dieser Energie gibt der Greisen-Zatseoin-Kuzmin-Cut-off eine Obergrenze fur Energien an, oberhalb derer das Universum fur die Protonenundurchsichtig wird. Protonen mit Energien ab 4 · 1019 eV konnen inelastisch mitPhotonen der kosmischen Hintergrundstrahlung stoßen und Delta-Resonanzen (∆+)erzeugen. Diese Delta-Resonanzen zerfallen wiederum in ein Proton oder Neutronsowie ein geladenes oder neutrales Pion:
γ + p→ ∆+ → p+ π0
γ + p→ ∆+ → n+ π+(2.1)
In solch einer Kollision verliert ein Proton typischerweise etwa 15% seiner Energie(Perkins, 2011, S. 252). Abbildung 2.4 zeigt das Spektrum der kosmischen Strahlung.Der steile Abfall zwischen 1015 eV und 1016 eV heißt auch
’Knie‘ des Spektrums. Das
Knie kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass die meisten kosmischen Quellen andieser Stelle ihre maximale Energie erreichen. Der Abfall im Bereich von 1018 eV wird
’Knochel‘ des Spektrums genannt und kann mit dem Greisen-Zatseoin-Kuzmin-Cut-offerklart werden.
16 29. Cosmic rays
1310 1410 1510 1610 1710 1810 1910 2010 [eV]E
1
10
210
310
410
]-1
sr
-1 s
-2 m
1.6
[GeV
F(E
)2.
6E
Grigorov
JACEE
MGU
Tien-Shan
Tibet07
Akeno
CASA-MIA
HEGRAFly’s Eye
Kascade
Kascade GrandeIceTop-73
HiRes 1
HiRes 2Telescope Array
Auger
Knee
2nd Knee
Ankle
Figure 29.8: The all-particle spectrum as a function of E (energy-per-nucleus)from air shower measurements [91–106].
energy. Some types of expanding supernova remnants, for example, are estimated notto be able to accelerate protons above energies in the range of 1015 eV. Effects ofpropagation and confinement in the Galaxy [111] also need to be considered. A discussionof models of the knee may be found in Ref. 112. The Kascade-Grande experiment [101]has reported observation of a second steepening of the spectrum near 8× 1016 eV, withevidence that this structure is accompanied a transition to heavy primaries.
Concerning the ankle, one possibility is that it is the result of a higher energypopulation of particles overtaking a lower energy population, for example an extragalacticflux beginning to dominate over the galactic flux (e.g. Ref. 107). Another possibility isthat the dip structure in the region of the ankle is due to pγ → e+ + e− energy lossesof extragalactic protons on the 2.7 K cosmic microwave radiation (CMB) [114]. Thisdip structure has been cited as a robust signature of both the protonic and extragalacticnature of the highest energy cosmic rays [113]. If this interpretation is correct, then thegalactic cosmic rays do not contribute significantly to the flux above 1018 eV.
June 5, 2018 19:57
Abbildung 2.4.: Spektrum der kosmischen Strahlung als Funktion der Energie pro Nu-kleus (E) (Tanabashi, 2018)
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Besonders stark beeinflusst werden die Teilchen der kosmischen Strahlung in derErdatmosphare. Um dem zu entgehen, werden Messungen mit
’High-Altitude‘ Bal-
lons und Weltraumdetektoren vorgenommen. Diese Detektoren sind aber in Großeund Gewicht meist sehr beschrankt, was ihre Effektivitat stark negativ beeinflusst(Melia, 2009, S. 303). Insgesamt ergeben sich also bei der Suche nach den Quellen derkosmischen Strahlung mit geladenen Teilchen große Probleme durch den Verlust derRichtungsinformation.
Durch Wechselwirkung der in den Quellen beschleunigten geladenen Teilchen ent-stehen sogenannte Sekundarteilchen. Diese meist instabilen Teilchen, erzeugen durchihren Zerfall letztendlich stabile Teilchen wie Photonen und Neutrinos, die also eben-falls aus den Quellen der primaren kosmischen Strahlung kommen und die Erde errei-chen konnen (Grupen, 2000, S. 63). Die haufigste Wechselwirkung ist die Entstehungvon Pionen aus Kollisionen der Protonen der kosmischen Strahlung mit Atomkernen.Bei Pionen handelt es sich um aus zwei Quarks zusammengesetzte, instabile Hadronen.Die geladenen Pionen zerfallen in ein Myon und ein Myonneutrino und die ungelade-nen Pionen in zwei Photonen (Perkins, 2011, S. 264):
p+X → π0 → γγ
p+X → π± → µ± + νµ(2.2)
Da die geladenen Teilchen in der Regel ihre Richtungsinformation verlieren, ist esnaheliegend, ungeladene Teilchen wie Photonen und Neutrinos zu betrachten, die sichgeradlinig ausbreiten (Grupen, 2018, S. 67). Als ungeladene Teilchen kamen auchNeutronen in Frage. Da ein Neutron mit einer Energie im Bereich von 1 GeV jedochbereits etwa 30.000 Jahre vom galaktischen Zentrum der Milchstraße bis zur Erdebraucht, ist die Lebenszeit eines Neutrons mit 887 s allerdings viel zu kurz um dieErde zu erreichen. Die Gebiete der Gamma- und Neutrinoastronomie expandierendeshalb derzeit außerordentlich stark (Grupen, 2018, S. 2).
Gammastrahlung im Bereich von 100 TeV kann nicht nur aus den in 2.3 dargestell-ten Wechselwirkungen stammen, sondern auch aus elektromagnetischen Prozessen,wie der Bremsstrahlung von hochenergetischen Elektronen (Perkins, 2011, S. 264).Um eine solche Verwechslung auszuschließen und sicher zu sein, dass es sich um Zer-fallsprodukte aus den Quellen der kosmischen Strahlung handelt, mussten Photonenmit Energien von uber 10 PeV gemessen werden. Wie jedoch bereits im Abschnitt2.1.1 beschrieben, konnen Photonen auf ihrem Weg durch das Universum beeinflusstwerden. Dies ist insbesondere fur so hochenergetische Gammastrahlung der Fall. Die-se Photonen verlieren beispielsweise Energie durch Comptonstreuung und die Bildungvon Elektron-Positron-Paaren. Dies fuhrt dazu, dass das Universum fur Photonen mitEnergien uber 103 TeV fur Abstande im Megaparsecbereich (∼ 3 · 106 Lichtjahre) un-durchsichtig wird (Melia 2009, S. 3, Perkins 2011, S. 250). Abbildung 2.5 zeigt furwelche Abstande und Energiebereiche dies der Fall ist. Aufgrund der Schwierigkeiten,die sich bei der Lokalisierung der Quellen der kosmischen Strahlung durch geladeneTeilchen und Photonen ergeben, bietet der Nachweis von Neutrinos große Chancen.
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Abbildung 2.5.: Das Universum in verschiedenen Wellenlangenbereichen und Energieund Wellenlange gegen die Entfernung von der Erde (Aartsen, 2017)
2.4. Einfuhrung in die Neutrinoastronomie
Neutrinos sind fur die Astronomie nahezu perfekt geeignet. Sie werden nicht durch Ma-gnetfelder beeinflusst, sie sind stabil, sie haben einen geringen Wirkungsquerschnitt,sodass sie aus dem Inneren einer Quelle kommen konnen und auf ihrem Weg durchdas Universum nicht abgelenkt werden (Grupen, 2018, Lena, 2012). Durch den extremniedrigen Wirkungsquerschnitt der Neutrinos sind sie allerdings sehr schwer auf derErde nachzuweisen, da der Nachweis von Teilchen uber ihre Wechselwirkung erfolgt. Indiesem Abschnitt werden zunachst die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit von Neu-trinos mit Materie sowie verschiedene Arten der Wechselwirkung vorgestellt. Es wirddann auf unterschiedliche kosmische Neutrinoquellen und deren Nachweis eingegan-gen.
2.4.1. Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie
Das Neutrino ist von Teilchen des Standardmodells dasjenige, das mit Abstand amwenigsten mit Materie wechselwirkt. Das liegt daran, dass Neutrinos nur uber dieschwache Wechselwirkung und die Gravitation wechselwirken (Lena, 2012, S. 7), (Ab-schnitt 2.2). Ein Maß dafur, wie stark ein Teilchen mit Materie wechselwirkt, ist derWirkungsquerschnitt. Den Wirkungsquerschnitt kann man sich stark vereinfacht alsdie effektive Flache vorstellen, die ein
’Targetteilchen‘ einem Projektil entgegenstellt
(Grupen, 2018, S. 61). Die Flache ist hier lediglich als gedankliche Konstruktion, nichtals materielle Ausdehnung eines Teilchens zu verstehen. Hat das Targetteilchen eineeffektive Flache von πr2T und das Projektil eine Große von πr2P , betragt der geometri-sche Wirkungsquerschnitt der beiden:
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
σ = π(rT + rP )2 (2.3)
In der Praxis ist die Berechnung des Wirkungsquerschnitts deutlich komplizierter undhangt unter anderem von der Energie der Teilchen ab (Grupen, 2018, S. 61). DieseEnergieabhangigkeit spielt bei der Berechnung der Wirkungsquerschnitte von Neutri-nos mit Materie eine große Rolle.
Mit Hilfe des Wirkungsquerschnitts kann die Wechselwirkungswahrscheinlichkeitkosmischer Neutrinos mit der Erde berechnet werden, wenn das Neutrino zentral aufdie Erde trifft, wobei NA die Avogradozahl, d Durchmesser der Erde, ρ die mittlereDichte der Erde (Grupen, 2018):
P = σ ·NA · d · ρ (2.4)
Fur niederenergetische Sonnenneutrinos im Bereich von 100 keV betragt der Wir-kungsquerschnitt etwa 10−45 cm2 pro Nukleon. Obwohl die Erde etwa 7 · 1010 Neutri-nos pro cm2s−1 erreichen, wechselwirkt davon im Durchschnitt nur ein Neutrino mitder Erde. Fur hohe Energien steigt also der Wirkungsquerschnitt mit der Neutrino-energie, wodurch sich sich diese Neutrinos trotz bei geringerer Flussraten nachweisenlassen. Da der Wirkungsquerschnitt zwar proportional mit der Energie steigt, derNeutrinofluss φ aber mit φ ∝ E−2 fallt, sind dennoch Neutrinodetektoren mit großenTargetmassen notwendig, um eine ausreichende Wechselwirkungsrate fur hochenerge-tische Neutrinos zu erzielen (Grupen, 2018, S. 61). In hohen Energiebereichen konnenNeutrino-Wechselwirkungen mit den Elektronen des Targetmaterials im Vergleich zuWechselwirkungen mit Nukleonen dabei im Allgemeinen vernachlassigt werden, dader Wirkungsquerschnitt fur Elektronen um etwa zwei Großenordnungen kleiner ist(Cruz und Angel, 2016, S. 31). Die Wechselwirkungsprozesse der hochenergetischenNeutrinos mit den Atomkernen des Targetmaterials laufen analog zu den Wechsel-wirkungsprozessen in den Quellen der kosmischen Strahlung ab, wie sie in Abschnitt2.3 beschrieben sind. Die Produkte dieser Wechselwirkungen zerfallen weiter, wodurchKaskaden von Teilchen entstehen. Man unterscheidet dabei die hadronische Kaskade,die aus den geladenen Pionen entsteht und die elektromagnetische Kaskade. In derelektromagnetischen Kaskade entstehen aus den hochenergetischen Photonen uberPaarbildung Elektron-Positron Paare:
γ → e−e+ (2.5)
Wechselwirkt also ein Myonneutrino mit einem Atomkern des Targetmaterials, ent-stehen zu großen Teilen Myonen und Pionen, die weiter zerfallen, sowie Elektronen.
2.4.2. Neutrinoquellen und deren Nachweis
Neutrinos erreichen die Erde aus unterschiedlichen Quellen und in einem breiten Ener-giebereich. Im Folgenden werden vier Arten von bisher bekannten Neutrinoquellenvorgestellt.
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Die am haufigsten auf der Erde vorkommenden Neutrinos stammen aus den Kern-reaktionen im Inneren der Sonne (Spatschek, 2018, S. 204). Solare Neutrinoskonnen mit der radiochemischen Methode, der Wasser-Cherenkov Methode sowie inFlussigszintillatoren nachgewiesen werden. Ein Nachteil der radiochemischen Metho-de ist, dass sie keine Richtungs- und Energieauflosung besitzt (Spatschek, 2018, S.322). Nahere Informationen zur radiochemischen Methode finden sich beispielsweisebei Lena (2012) und Grupen (2018).
Die zweite bekannte Art astronomischer Neutrinos sind Supernovaneutrinos. BeiSupernovaeexplosionen entstehen
’Neutrinobursts‘ von großer Intensitat (Grupen,
2018, S. 140). Der gesamte Neutrinofluss der Supernova SN-1987A umfasste beispiels-weise um die 1058 Neutrinos. Von diesen Neutrinos konnte nur ein kleiner Teil inWasser-Cherenkov-Zahlern auf der Erde nachgewiesen werden.
Die dritte Art astronomischer Neutrinos, Atmospharische Neutrinos, entstehen beiWechselwirkungen der primaren kosmischen Strahlung mit Atomkernen der Luft inder Erdatmosphare durch die gleichen Prozesse wie die kosmischen Neutrinos (vgl.Abschnitt 2.3). Bei diesen Wechselwirkungen entstehen uberwiegend geladene undungeladene Pionen. Die geladenen Pionen zerfallen dann fast ausschließlich in einMyon und ein Neutrino, beziehungsweise Antineutrino:
π+ → µ+ + νµ
π− → µ− + νµ(2.6)
Da Myonen aber ebenfalls instabil sind, zerfallen diese weiter:
µ+ → e+ + νe + νµ
µ− → e− + νe + νµ(2.7)
Aufgrund der Energieerhaltung haben die atmospharischen Neutrinos zwar eine ge-ringere Energie als die ursprungliche kosmische Strahlung, reichen aber dennoch inwesentlich hohere Energiebereiche als solare und Supernovaneutrinos.
Schließlich erreichen die Erde die Neutrinos aus den Quellen der kosmischen Strah-lung. Auch diese diese kosmischen Neutrinos liegen in einem wesentlich hoheren Ener-giebereich als solare Neutrinos und Supernovaeneutrinos(Grupen, 2018, S. 140). Sol-che Hochenergetische Neutrinos werden im Allgemeinen durch bei Wechselwirkungenentstehenden Sekundarteilchen nachgewiesen. Die geladenen Sekundarteilchen werdendurch Wechselwirkung der Neutrinos mit dem Targetmaterial erzeugt. Aufgrund derImpulserhaltung haben diese Sekundarteilchen naherungsweise die gleiche Richtungwie das Neutrino (Perkins, 2011, S. 264). Zum Nachweis der Sekundarteilchen machtman sich den Cherenkov-Effekt zunutze. Da der Cherenkov-Effekt ein fur Photonenim sichtbaren Bereich transparentes Medium erfordert, bestehen alle großen Neutri-noteleskope aus Eis oder Wasser. Diese Technik funktioniert sowohl fur Neutrinos mitEnergien im MeV Bereich (beispielsweise Super-Kamiokande) als auch fur hochener-getische Neutrinos (IceCube). Eine Beschreibung des Cherenkov-Effektes und einesPhotomultipliers erfolgen in Abschnitt 2.5.
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Das Standardmodell der Elementarteilchen ging ursprunglich von masselosen Neutri-nos aus. Es waren Experimente mit solaren und atmospharischen Neutrinos, die dieseHypothese widerlegt haben (Lena, 2012, S. 6). Auch wenn die Masse der Neutrinossehr klein ist, haben die Neutrinomassen fur astronomische Beobachtungen eine großeBedeutung, denn aufgrund der Neutrinomasse konnen Neutrinos von einer Neutrinoartzur anderen oszillieren. Dieser Effekt muss in Betracht gezogen werden, da die Anzahlder detektierten Neutrinos einer Art nicht mit der Anzahl der Neutrinos dieser Art,die von einer Quelle ausgesendet wurden, ubereinstimmen muss (Lena, 2012, S. 425).Wahrend aufgrund der Wechselwirkungsprozesse das Verhaltnis der Neutrinosortenan der Quelle als 1 : 2 : 0 fur νe : νµ : ντ angenommen wird, betragt das erwarteteVerhaltnis auf der Erde durch Oszillation 1 : 1 : 1 (Williams, 2018, S. 3).
Wie bereits deutlich wurde, brauchen Neutrinoteleskope wegen der geringen Wir-kungsquerschnitte eine sehr große Targetmasse. Fur hochenergetische kosmische Neu-trinos wird dieses Problem dadurch verscharft, dass sie wesentlich geringere Flussratenaufweisen als solare und atmospharische Neutrinos. Seit den neunziger Jahren wurdenverschiedene riesige Detektoren gebaut, die solche Neutrinos im TeV Bereich nach-weisen sollen. Der erste Versuch eines solches Detektors war der Deep UnderwaterMuon and Neutrino Detektor ( DUMAND), der Ende der 1980er Jahre vor der KusteHawaiis gebaut wurde. DUMAND konnte wegen technischer Schwierigkeiten keine Er-gebnisse erzielen. Seitdem wurden zum Teil erfolgreich mehrere Versuche unternom-men, ahnliche Detektoren zu bauen. Das Antarctic Muon and Neutrino Detector Array(AMANDA) ist der Vorlaufer des IceCube-Observatoriums und wurde in den 1990erJahren ins antarktische Eis am geographischen Sudpol gebaut. Es bestand aus einemNetzwerk von 676 optischen Modulen, die uber zwanzig Detektionsstrange verteiltwaren. Im Gegensatz zu Wasser, hat Eis den Vorteil, dass es relativ wenig optischesUntergrundrauschen gibt. Andererseits stellen im Eis eingeschlossene Luftblasen einProblem dar, da das Cherenkov-Licht an ihnen gestreut und so die Auflosung verrin-gert wird. AMANDA wurde bis 2009 erfolgreich betrieben, danach wurde es durch dasIceCube-Observatorium abgelost. Weitere Neutrinoteleskope umfassen beispielsweisedas Baikal Teleskop im Baikalsee in Sibirien, das erste erfolgreich in Betrieb genomme-ne Neutrinoteleskop (1990), das Neutrino Extended Submarine Telescope with Ocea-nographic Research (NESTOR) im Mittelmeer (in Betrieb genommen 2003), sowieANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Rese-arch), das erfolgreichste Mittelmeer Projekt, das 2008 in Betrieb genommen wurde.ANTARES, NEMO und NESTOR haben sich mittlerweile zu einem europaischenKonsortium KM3NeT vereeinigt. Das IceCube-Neutrino-Observatorium, Nachfolgervon AMANDA ist das großte Neutrino Teleskop der Welt und ist seit 2011 vollstandigin Betrieb (Lena, 2012, S. 421 ff.).
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
2.5. Aufbau und Funktionsweise des IceCube-Detektors
Nachdem einige Grundkonzepte und experimentelle Methoden der Neutrinoastrono-mie vorgestellt wurden, bietet das folgende Kapitel einen genaueren Einblick in dieFunktionsweise des IceCube-Neutrino-Observatoriums, des großten Neutrinodetektorsder Welt.
2.5.1. Aufbau des Detektors
Abbildung 2.6.: Aufbau des IceCube-Detektors (IceCube Collaboration, 2018)
Der IceCube-Detektor befindet sich in einer Tiefe von 1450−2450 m im antarktischenEis und besteht aus einem Eisvolumen von 1 km3, das mit 5160 optischen Modulendurchzogen ist. Die aktive Komponente dieser optischen Module sind etwa 25 cm großePhotomultiplier (Baum, 2017, S. 33 ff.).
Abbildung 2.6 zeigt schematisch den Aufbau des IceCube-Detektors. Er bestehtaus 86
’Strings‘, den Strangen, an denen die optischen Module befestigt sind. Der ho-
rizontale Abstand zwischen den Strings betragt 125 m. Die Strings wurden mit heißemWasser in das antarktische Eis gebohrt, das nach Installation der Strings wieder zufror.Der Detektor wurde zwischen 2005 und 2010 gebaut (Baum, 2017, S. 33 ff.). An einemString sind jeweils im Abstand von 15 m sechzig optische Module befestigt. Die Da-ten, die diese optischen Module erheben, werden entlang der Strings zur Oberflache in
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
das IceCube Laboratory zur Erstverarbeitung geleitet. An der Oberflache befindet sichaußerdem der Luftschauerdetektor IceTop (Air Shower Detektor), der aus 81 Tanksmit je zwei optischen Modulen besteht. IceTop wird als Detektor fur Gammastrah-lung astronomischen Ursprungs verwendet. Eine wichtige Rolle spielt er aber auch beider Auswertung der Daten aus dem Detektor im Eis, da er zur Identifizierung vonMyonen, die aus der Atmosphare kommen, beitragt.
Der DeepCore Detektor befindet sich um den zentralen IceCube-’Strings‘ und ist
in einen oberen und einen unteren Teil unterteilt (Baum, 2017, S. 33 ff.). Durch dieseTrennung befindet sich DeepCore nur in den klarsten Bereichen des Eises. Zwischenden beiden Teilen befindet sich eine naturliche Staubschicht, in der vermehrt Pho-tonenabsorbtion und Streuung stattfindet. DeepCore wurde 2011 fertig gestellt. ImDeepCore wurden die horizontalen Abstande zwischen den Strings auf 42− 72 m unddie vertikalen Abstande der optische Module auf 7 − 10 m verkurzt, wodurch dermessbare Energiebereich nach unten erweitert wurde. Die untere Energiegrenze, beider Events registriert werden konnen ist 10 GeV im DeepCore und 100 GeV im Restdes Detektors. Events im niedrigeren Energiebereich konnen nur im DeepCore Bereichdetektiert werden, wo die optischen Module dichter zusammenhangen (Baum, 2017,S. 33 ff.).
2.5.2. Messung durch den Cherenkov-Effekt
Der Cherenkov-Effekt, benannt nach dem sowjetischen Physiker Alekseyevich Che-renkov, beschreibt die Emission von Photonen, wenn geladene Teilchen sich durchein dielektrisches Medium bewegen. Die Geschwindigkeit des Teilchen muss dabeidie Lichtgeschwindigkeit im entsprechenden Medium ubertreffen, die durch den Bre-chungsindex bestimmt werden kann. Mit n: Brechungsindex, c0 Lichtgeschwindigkeitim Vakuum und cM Lichtgeschwindigkeit im Medium ergibt sich:
n =c0cM
(2.8)
Fliegt beispielsweise ein Myon durch ein dielektrisches Medium wie Wasser, werdendie Molekule durch den Einfluss des elektrischen Feldes des sich bewegenden Teilchenskurzzeitig polarisiert (Baum, 2017, S. 33 ff.). Dies erzeugt elektromagnetische Wellen,die konstruktiv interferieren, wenn sich das geladene Teilchen schneller bewegt alsdie Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium. Durch die konstruktive Interferenz ent-steht eine kegelformige Lichtwelle (Cruz und Angel, 2016, S. 34). Abbildung 2.7 zeigtschematisch den entstehenden Cerenkov-Kegel.Die Emission von Photonen geschieht relativ zur Flugrichtung des geladenen Teil-chens unter dem charakteristischen Cherenkov-Winkel. Durch Bestimmung desOffnungswinkels kann die Geschwindigkeit des geladenen Teilchen bestimmt werden(Perkins, 2011, S. 242):
cos(θ) =1
βct, β >
1
n(2.9)
Der Brechungsindex betragt fur das antarktische Eis etwa n = 1, 32, bei leichtenSchwankungen aufgrund von Dichteanisotropien und Temperaturschwankungen. Die
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Kapitel4
98 4 Experimentelle Techniken und Geräte in Kern- und Hochenergiephysik
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KoinzidenzSchalter
Hochspannungs-puls 10 ns
+500 kV
Füllgas
D1
D2
Abbildung 4.81 Prinzip der Streamerkammer. Die Detektoren D1 und D2
triggern (in Koinzidenz) den Hochspannungsschalter, sodass ein kurzer Hoch-spannungspuls zwischen den Elektroden liegt. Aus St. Weinberg: Teile desUnteilbaren (Spektrum Verlag, Weinheim 1984)
nach Ende des Pulses zusammen und die Streamer sind sehrkurz, sodass die Lichtemission praktisch auf die Spur des io-nisierenden Teilchens beschränkt bleibt.
Die Funkenkammern bestehen aus einer großen Zahl parallelerdünner Metallplatten in einem mit Edelgas gefüllten Volumen(Abb. 4.82). Zwischen den Platten kann über eine gepuls-te Hochspannungsquelle kurzzeitig, durch das die Kammerdurchquerende hochenergetische Teilchen ausgelöst, ein starkeselektrisches Feld erzeugt werden, das an den Orten der primärgebildeten Ionen einen Entladungskanal erzeugt, der parallelzum elektrischen Feld gerichtet ist.
Man kann die Lichtemission der Funkenkanäle zum Spuren-nachweis des ionisierenden Teilchens benutzen. Eine Alterna-tive dazu ist die Verwendung von Drahtnetzen statt der Platten,wobei jeder der Drähte seine eigene Spannungszufuhr hat undder Zusammenbruch der Spannung an jedem der Drähte se-lektiv gemessen wird. Man kann dann elektrisch registrieren,welche Drähte des zweidimensionalen Gitters entladen wurdenund daraus auf die Spur des ionisierenden Teilchens schließen.Dies hat den Vorteil, dass die Auswertung ohne Umweg überein photographisches Bild direkt durch den Computer erfolgt.
Plexiglas
einfallendesTeilchen
a) b)
Richtung derCerenkov-Strahlung
EinhüllendeKugelwellen
Tt = 0 t1 v·T
ϑc SEV
nc
T ⋅
ˆ
Abbildung 4.83 a Cerenkov-Strahlung, b experimentelle Anordnung einesCerenkov-Detektors. SEVD Sekundär-Elektronen-Vervielfacher
Betreibt man die Kammer im Proportionalitätsbereich (sieheAbschn. 4.3.1), so ist die auf den Drähten gesammelte Ladungproportional zum Energieverlust des einfallenden Teilchens in-nerhalb des Sammelvolumens jedes Drahtes.
4.3.5 Cerenkov-Zähler
Wenn ein geladenes Teilchen durch ein elektrisch isolierendesMedium (z. B. Glas, Plexiglas, etc.) fliegt, bewirkt es beim Vor-beiflug an einem Atom eine kurzzeitige Polarisation seiner Elek-tronenhülle und induziert damit ein zeitlich veränderliches elek-trisches Dipolmoment, das elektromagnetische Wellen abstrahlt.Die Anteile dieser Wellen von den einzelnen Atomen überlagernsich mit Phasenverschiebungen, die vom Verhältnis v=.c=n/von Teilchengeschwindigkeit v und Phasengeschwindigkeit c=nder Lichtwellen im Medium mit Brechungsindex n abhängen.Für v < c=n können sich die einzelnen Teilwellen nicht pha-sengleich überlagern, sodass insgesamt destruktive Interferenzvorliegt und keine nennenswerte Lichtemission erfolgt.
Wird die Teilchengeschwindigkeit v jedoch größer als die Pha-sengeschwindigkeit c=n, so gibt es einen Winkel #c gegen dieTeilchenflugrichtung, bei dem sich alle Teilwellen von den ein-zelnen Atomen in Phase überlagern können, sodass in dieserRichtung intensive Strahlung auftritt. Nach Abb. 4.83a gilt:
sin#c D .c=n/=v D 1=.ˇ � n/ mit ˇ D v=c :
Diese Lichtemission heißt Cerenkov-Strahlung.
Nur Teilchen mit ˇ � n > 1 können also Cerenkov-Strahlungerzeugen. Deshalb lassen sich Cerenkov-Zähler als Schwellen-detektoren verwenden, die nur für geladene Teilchen mit einerGeschwindigkeit v > c=n ansprechen. In Abb. 4.83b ist derschematische Aufbau eines Cerenkov-Detektors gezeigt.
4.3.6 Detektoren in der Hochenergiephysik
Um die beim Zusammenstoß von hochenergetischen Teilchen inden Kreuzungspunkten von Speicherringen entstehenden Teil-chen nachzuweisen, ihre Identität, ihre Masse und Energie zubestimmen, werden große Detektorsysteme verwendet, die aus
Abbildung 2.7.: Schematische Darstellung des Cerenkov-Kegels (Demtroder, 2017, S.98)
Geschwindigkeit von Licht im Eis betragt damit: 227.115.498 m/s. Diese Geschwin-digkeit muss von Teilchen im Eis ubertroffen werden, um die Cherenkov-Bedingungzu erfullen. Sie setzt damit eine untere Energiegrenze, unterhalb der die geladenenTeilchen zu langsam sind, um Cherenkov-Strahlung zu erzeugen. Fur Elektronen imIceCube-Detektor liegt diese Grenze bei etwa 783 keV, was unterhalb der mittlerenEnergie von Supernova Neutrinos liegt (Baum, 2017, S. 33 ff.).
2.5.3. Digitale Optische Module (DOM)
Die digitalen optischen Module (Digital Optical Modules, DOMs) sind die Sensorendes Detektors. Da jeder der IceCube-Strings sechzig Module tragt, besteht der gesamteIceCube-Detektor aus 5.160 DOMs.
Der aktive Teil der DOMs ist ein Photonenvervielfacher (Photomultpliertube,PMT). PMTs verstarken schwache Signale sichtbaren Lichts. Wie Abbildung 2.8 zeigt,besteht ein typischer PMT aus einer evakuierten Glasrohre, in der eine Reihe vonElektroden angebracht ist. Ein einfallendes Photon trifft auf die erste Elektrode, dienegativ geladene Kathode. Durch den Photoeffekt wird aus der Kathode ein Elektronausgelost. Dieses Elektron wird dann durch ein zwischen der ersten und der zweitenElektrode, der ersten sogenannten Dynode, angelegtes elektrisches Feld beschleunigt,sodass es auf die zweite, positiv geladene Elektrode trifft. Durch die Absorption desElektrons werden aus der Dynode mehrere Elektronen ausgelost. Die Dynode ist alsoKathode und Anode zugleich. Die aus der ersten Dynode ausgelosten Elektronen wer-den erneut beschleunigt und losen aus der zweiten Dynode wiederum ein Vielfachesan Elektronen aus. Die durch das Photon erzeugte Kaskade von Elektronen wachst soauf dem Weg an und gelangt zur letzten Anode. Von dort wird ein elektrisches Signalweitergegeben und verarbeitet (Freytag und Osterhage, 2016, S. 162).
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
Abbildung 2.8.: Schematischer Aufbau eines Photomultipliers (Freytag und Osterha-ge, 2016)
Im IceCube-Detektor sind die empfindliche Photomultiplierrohre (PMT) und die wei-tere zum DOM gehorige Elektronik, die das Signal verarbeitet, von einer 1, 27 cmdicken, lichtdurchlassigen Borosilikatglaskugel umgeben. Eine genauere technische Be-schreibung der DOMs findet sich beispielsweise bei (Baum, 2017, S. 33 ff.).
2.5.4. Untergrund und Datenerhebung
Die Zahl und Verteilung der in der Wechselwirkung entstehenden Photonen hangtvon der Energie des Neutrinos ab. Deshalb hangt auch die im IceCube-Detektor re-gistrierte Signatur eines Ereignisses vom Energiebereich ab. Im MeV Bereich konnenkeine einzelnen Neutrinoereignisse registriert werden, sondern lediglich ein Ansteigenim Untergrundrauschen, wenn eine große Anzahl an MeV Neutrinos den Detektorerreicht.
Neutrinos oberhalb des MeV Bereichs verursachen durch Wechselwirkung zweiHauptsignaturen im Detektor: Tracks und Cascades. Tracks (Pfade) werden durch dieWecheselwirkung von Myonneutrinos verursacht, Kaskaden durch die Wechselwirkungvon Tauon- und Elektronneutrinos sowie durch hadronische Kaskaden von zerstortenAtomkernen. Eine schematische Darstellung der jeweils entstehenden Cherenkov-Strahlung findet sich in Abbildung 2.9. Abbildung 2.10 zeigt beispielhaft zwei imIceCube-Detektor registrierte Ereignisse in typischer Darstellungsweise. Jeder Kreissteht dabei fur das in einem DOM registrierte Cherenkov-Licht. Die Farbkodierungzeigt die Ankunftszeit des Lichtes an, rot zuerst, grun zuletzt, und die Große die Mengedes registrierten Lichtes (IceCube Collaboration, 2018). Das linke Bild zeigt demnachein Kaskadenereignis, bei dem sich das Cherenkov-Licht von innen nach außen ausge-breitet hat. Das rechte Bild zeigt einen typischen Myonpfad der von links nach rechts
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours4 Neutrino Detection with the IceCube Neutrino Telescope
Figure 4.10: Simplified event schemes for tracks (left) and cascades (right). Yellow dots mark theposition of the PMTs (taken from [100]).
The cascade’s energy resolutions in IceCube are about 40 % at 10 GeV and improve toroughly 10 % at energies > 10 TeV [101] (see section 5.2.4 for the method used in this work).For tracks, however, the energy estimation is more complicated because of the possible en-ergy losses outside the detector. The achieved resolution is about 0.4 − 0.2σlog10(Eµ) forenergies of 1 TeV to 1 PeV [101].
Exemplary event displays for both topologies are shown in figure 4.11. The signatures in arather high energy region can be recognized easily. However, the situation changes a lot in alow-energy event as cascade and track signatures become more and more similar and a clearidentification gets difficult to impossible. A low-energy example is given at figure 4.12 withonly limited distinction potential left.
Figure 4.11: High energy track (left) and cascade (right) event display. The cascades depositedenergy is 385+46
−49 TeV, the median angular resolution is ∼ 13.5 ◦. The track deposited 30.8+3.3−3.5 TeV
energy and it’s median angular resolution is . 1.2 ◦ [102]. Color coding ranges from early hits in redto late hits in blue.
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Abbildung 2.9.: Vereinfachtes Schema der Cherenkovstrahlung im IceCube Detektorfur Tracks (links) und Kaskade (rechts) (Ahrens, 2004)
durch den Detektor verlauft.
Abbildung 2.10.: Ereignisse im IceCube Detektor: Kaskade (links) und Myonpfad(rechts) (IceCube Collaboration, 2018)
Im GeV Bereich erzeugen Myonen kurze Spuren von etwa 10 m−100 m, das bedeutet,es konnen nur Wechselwirkungen innerhalb des Detektors nachgewiesen werden. Beidiesen Ereignissen kann immer auch die hadronische Kaskade und eventuell die elektro-magnetische Kaskade im Detektor registriert werden. Myonpfade im TeV Bereich sinddagegen mehrere Kilometer lang und konnen die Große des Detektors ubertreffen. Da-durch konnen vor allem Neutrinos nachgewiesen werden, die außerhalb des Detektorswechselwirken. Bei diesen Ereignissen kann die hadronische Kaskade nicht beobachtetwerden, da sie außerhalb des Detektors stattfindet (Baum, 2017, S. 33 ff.). Elektron-neutrinos konnen immer nur im Detektor nachgewiesen werden. Da der Detektor prin-zipiell jedes geladene Lepton mit ausreichender Energie detektieren kann, mussen diejeweils gewunschten Ereignisse von den anderen Daten unterschieden werden. Trifft
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
die kosmische Strahlung auf die Erdatmosphare, wechselwirken die geladenen Teilchender Strahlung mit den Atomkernen der Atmosphare. Bei diesen Zusammenstoßen ent-stehen Teilchenschauer, die je nach Energie des eintreffenden Teilchens aus mehrerentausend Teilchen bestehen konnen. Die beiden großten Untergrundkomponenten beider Suche nach hochenergetischen kosmischen Neutrinos sind die dabei entstehendenatmospharischen Myonen und Neutrinos (Cruz und Angel, 2016, S. 36 ff.).
Den großten Teil des Untergrunds bilden die atmospharischen Myonen. Atmo-spharische Myonen entstehen hauptsachlich durch den Zerfall von Pionen und Kaonen(Hadronen, vgl. Abschnitt 2.2) in der Erdatmosphare. Die atmospharischen Myonender nordlichen Hemisphare werden in der Erde absorbiert, bevor sie den Detektor er-reichen konnen. Atmospharische Myonen der sudlichen Hemisphare, auch down-goingatmospheric muon events genannt, treffen allerdings in großen Zahlen aus Richtungder Erdoberflache in den Detektor. Ihre Anzahl ubertrifft den astrophysikalischenNeutrinofluss um sechs Großenordnungen (Cruz und Angel, 2016, S. 36 ff.). Der inAbschnitt 2.5 beschriebene Oberflachendetektor kann benutzt werden, um aus Rich-tung der Erdoberflache kommende Events auszuschließen. Um eine gute Genauigkeitzu gewahrleisten, mussen weitere Vorkehrungen getroffen werden, wie man beispiels-weise bei Cruz und Angel (2016, S. 36 ff.) nachlesen kann.
In den Teilchenschauern, die aus der Wechselwirkung der kosmischen Strahlung inder Erdatmosphare entstehen, werden neben atmospharischen Myonen auch Neutrinoserzeugt, wie im Abschnitt 2.4.2 erklart ist. Da diese erst von der bereits in Magnetfel-dern abgelenkten kosmischen Strahlung erzeugt werden, tragen sie keine Richtungsin-formation. Diese Neutrinos stellen ein Problem bei der Identifizierung von hochener-getischen astrophysikalsichen Neutrinos dar. Im Gegensatz zu den atmospharischenMyonen konnen sie aus allen Richtungen in den Detektor gelangen. So zeigt Abbil-dung 2.11, wie ein geladenes Teilchen der kosmischen Strahlung durch Wechselwirkungin der Atmosphare ein Neutrino erzeugt, das die Erde durchquert und von unten inden Detektor gelangt.
Aus den etwa 1011 detektierten Myonen pro Jahr werden zunachst etwa 100.000 Er-eignisse oberhalb einer Energiegrenze von 0.1 TeV ausgewahlt. In diesen Daten mussdann der kleine Teil von etwa 10 kosmischen Neutrinos im Jahr herausgefiltert werden.Unterhalb von 100 TeV bilden die atmospharischen Neutrinos einen extrem großenUntergrund fur die Neutrinos kosmischen Urpsrungs. Oberhalb dieser Energiegrenzewird der Fluss der atmospharischen Neutrinos zu gering um Ereignisse im Detektor zuproduzieren, weshalb die Energie als Unterscheidungsmerkmal herangezogen werdenkann (Ahlers und Halzen, 2017, S. 5). Ein weiteres Merkmal, dass zur Unterscheidungder atmospharischen Neutrinos beitragt, ist das isolierte Auftreten der kosmischenNeutrinos. Da atmospharische Neutrinos in atmospharischen Schauern entstehen istihre Detektion in der Regel von atmospharischen Myonen begleitet. Die begleitendenMyonen konnen als Veto dienen, um atmospharische Neutrinos von kosmischen zuunterscheiden (Ahlers und Halzen, 2017, S. 6). Es ist jedoch anzumerken, dass dieBestimmung von Energie und Richtung im Detektor nicht immer eindeutig moglichist und die Abgrenzung vom Untergrund somit nicht immer eindeutig erfolgen kann.
2.5.5. Zentrale Ergebnisse des Detektors und Ausblick
IceCube hat in den letzten Jahren bereits interessante Entdeckungen machen konnen.So wurden mit den verschiedenen Methoden zur Unterscheidung der Ereignisse kosmi-sche Neutrinos beobachtet, wobei die Analysen eine statistische Sicherheit von mehr als6σ erreichen. Abbildung 2.12 zeigt eine Himmelskarte mit beobachteten Ereignissenvon hochenergetischen kosmischen Neutrinos. Eine statistisch signifikante eindeutigeZuordnung zu einer oder mehreren Quellen ist bisher dabei nicht moglich. Nicht nur
Abbildung 2.12.: Tracks (x) und Kaskaden (+) von im IceCube-Detektor nachgewie-sen kosmischen Neutrinos und Hinweise auf Punktquellen (pink), inaquatorialen Koordinaten (Williams, 2018, S. 4)
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2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours
die hochenergetischen kosmischen Neutrinos, auf denen der Fokus in dieser Arbeitliegt, sondern auch die gemessenen atmospharischen Myonen und Neutrinos sind Ge-genstand aktueller Forschung. IceCube hat damit demonstriert, dass es
”in der Lage
ist, wertvolle Beitrage zur Neutrinoastrophysik zu leisten“ (Grupen, 2018, S. 155). DieEntdeckungen, die mit Neutrinoteleskopen wie IceCube gemacht werden, offnen einneues Fenster ins Universum und konnten ein breites Spektrum naturwissenschaftli-cher Fragen beantworten (Halzen, 2014, S. 167).
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3. Didaktische Analyse
Die Didaktische Analyse zeigt auf, weshalb sich die Astroteilchenphysik am Beispieldes IceCube-Experiments trotz fehlender expliziter Prasenz in Lehrplanen fur denschulischen Kontext eignet und wo die Lehrplane Anknupfungspunkte bieten. Des Wei-teren wird erlautert, wie die komplexen Sachverhalte elementarisiert werden konnen,sodass sie von Schulern, die in diesem Fachgebiet der Physik kaum uber Vorwissenverfugen, nachvollzogen werden konnen. Schließlich werden die konkreten Lernzieleder Einheit in Anlehnung an die allgemeinen Kompetenzstufen formuliert.
3.1. Begrundung des Themas
Als Lehrer steht man immer vor der Wahl, welche fachlichen Inhalte man in der be-grenzten Zeit seines Unterrichts behandeln soll. Wahrend viele Gebiete der klassischenPhysik wie Mechanik oder Elektrizitatslehre in den Lehrplanen fest verankert sind, istdies fur die meisten Gebiete der modernen Physik nicht der Fall. Warum also solltedie Astroteilchenphysik Teil des Unterrichts sein?
Unbestreitbar gehort die Astroteilchenphysik zu den aktuellsten und spannendstenTeilgebieten der Physik. Ein Indiz dafur sind unter anderem die zahlreichen Nobelprei-se, die in den letzten 30 Jahren an in diesem Bereich forschende Physiker vergebenwurden. Die Astroteilchenphysik verbindet mit der Beschaftigung mit Teilchen dasAllerkleinste mit dem Allergroßten, dem Universum. Damit trifft sie zwei Themen-felder, die die Menschheit schon jeher zutiefst beschaftigen. Prominentes Beispiel furdas Interesse am Allerkleinsten ist Goethes Ausspruch
”zu wissen was die Welt, im
Innersten zusammen halt“ (2013, S. 27); die Faszination vom Allergroßten wird inder langen Tradition der Himmelbeobachtung, uber die sich bis ins dritte Jahrtausendvor Christus Aufzeichnungen finden lassen, erkennbar. Entsprechend wird das Univer-sum auch von Schulern heute als hoch motivierendes Thema empfunden (Backhaus,2001, S. 509). Die Astroteilchenphysik bietet dabei mit der Erforschung von verschie-denen Himmelskorpern und großen Experimenten eine Reihe konkreter, motivierenderKontexte, an denen sich im Rahmen der Kontextorientierung zugleich auch die ent-scheidenden Fachinhalte erarbeiten lassen. Die besondere Eignung dieses Themenge-bietes fur die Verknupfung von Fachwissen und Kontext und das damit einhergehendeMotivationspotenzial stellt ein entscheidendes Argument fur die Begrundung der The-menwahl dar.
Wendet man Klafkis (1963) Kriterien der didaktischen Analyse an, um die Eignungeines Themas moglichst objektiv auszuloten, erhalt man viele weitere Argumente fureine Thematisierung im Unterricht. Das erste Kriterium stellt der Bildungsgehalt dar,
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3. Didaktische Analyse
welcher den allgemeinen Sinn eines Themas in politischer, kultureller und zivilisa-torischer Relevanz betrachtet. Was dies konkret bedeutet, formulieren Haußler undLauterbach (1976) in verschiedenen Fragen. Eine im Kontext dieser Arbeit beson-ders relevante Frage bezieht sich auf das
”idealistische Motiv der naturwissenschaftli-
chen Wahrheitssuche“ (Haußler und Lauterbach, 1976, S. 60), das in der am IceCubekonkret betrachteten Forschungsfrage, der Suche nach hochenergetischen Quellen inden Weiten des Universums, zum Ausdruck kommt. Es charakterisiert die Astroteil-chenphysik als zivilisatorisches Gut. Dieser Aspekt findet sich auch im Charakter derTeilchenphysik als
”historisches Beispiel der nutzenfreien Forschung“ (Haußler und
Lauterbach, 1976, S. 60), indem kein direkter Bezug zu technischen Anwendungengegeben ist. Ein weiterer Bildungsgehalt der Astroteilchenphysik besteht gerade auchin den Grenzen der Physik, die sie aufzeigt, da sie die Unwissenheit uber große Teiledes Universums thematisiert. Zudem betont Klafkis erstes Kriterium das exemplari-sche Lernen, welches in der zeitlichen Begrenztheit des Physikunterrichts begrundetist. Ein solches Paradebeispiel stellt das IceCube-Experiment dar. An ihm konnen dieWesenszuge der Astroteilchenphysik erarbeitet werden, da dort das Neutrino als Ele-mentarteilchen als Informationsquelle fur Ereignisse in den Weiten unseres Universumsgenutzt wird.
Das zweite Kriterium nach Klafki ist die Gegenwartsbedeutung. Dabei lasst derBegriff zunachst an die zu Beginn geschilderte Aktualitat des Themas, die sich auchin medialer Prasenz zeigt, denken. Wahrend dies durchaus eine legitime und wichtigeArgumentation fur ein Thema darstellt, gerade auch, weil es das Thema ein Stuckweit in der Lebenswelt der Schuler platziert und so das Potenzial hat, besonderszu motivieren, zeigen die konkreten Fragen von Haußler und Lauterbach (1976) eineandere Interpretation dieses Kriteriums. Fur sie entscheidet die Eignung eines Themaszum
”spielerischen Lernen und Entdecken“ (S. 60) sowie zum
”selbstorganisierten,
kreativen Lernen“ (S.60) uber die Gegenwartsbedeutung besonders aus Schulersicht.Da hinter dem IceCube-Experiment eine Menge Kreativitat und Entdecken im Sinnevon Forschung steht, eignet es sich durch schulergerechte Rekonstruktion genau diesesForschungsprozesses dafur besonders gut. Wie genau das aussehen kann, ist in Kapitel4 naher ausgefuhrt.
Das Kriterium der Zukunftsbedeutung aus Schulersicht zielt darauf ab, inwieweitsich das Thema eignet, um grundlegende Arbeitstechniken und Darstellungsweiseneinzuuben. Da Physiker bei der Entwicklung von Experimenten wie IceCube in Teamszusammenarbeiten und intensiv kommunizieren, eignet sich dieses Thema besondersfur eine Schwerpunktsetzung auf die Forderung eben jener Kompetenzen in der Un-terrichtsgestaltung. Auch das kommunikative Darstellen von Informationen, wie es beisolch einem Forschungsprojekt im Werben um Fordergelder und im Austausch mit derOffentlichkeit ublich ist, kann so fur den schulischen Kontext anschaulich motiviertund geubt werden.
Das letzte Kriterium Klafkis stellt die innere Struktur des Themas dar. Dabei gehtes nach Haußler und Lauterbach (1976) zum einen darum, inwieweit die grundlegen-den Methoden der Physik zur Anwendung kommen. Da bei der Entwicklung einesExperimentes wie IceCube genau jener Forschungszirkel von Ausgangsfrage, Theorie
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3. Didaktische Analyse
und einer Vielzahl an Vorexperimenten durchlaufen wird, bietet es das Thema an,jene Struktur auch im Schulunterricht beizubehalten und so die Methodenkompetenzweiter zu fordern. Zum anderen stellt sich die Frage, ob an dem Thema
”grundle-
gende Begriffe und Gesetze der Physik“ (Haußler und Lauterbach, 1976, S. 61) erar-beitet werden konnen. Die sehr komplexe und vor allem im Schulkontext neue Phy-sik des IceCube-Experiments bietet hier Anknupfungspunkte zu verschiedenen Basis-konzepten, die zentrale Elemente des rheinland-pfalzischen Lehrplans darstellen (vgl.MBWWK RLP, 2014). So findet sich das Basiskonzept der Wechselwirkung im Stan-dardmodell wieder und die Informationsgewinnung aus dem Universum knupft an dasSender-Empfangermodell an. Weitere physikalische Grundkonzepte konnen der Ele-mentarisierung in Abschnitt 3.3.3 entnommen werden.
Aus Klafkis Sicht ware mit der dargestellten Erfullung der vier Kriterien vom all-gemeinen Bildungsgehalt, der Gegenwarts- sowie Zukunftsrelevanz und schließlich derinneren Struktur die Astroteilchenphysik am Beispiel des IceCube-Experiments als furden Schulunterricht geeignetes Thema begrundet. Diese Sicht ist aufgrund der Diffe-renziertheit sowie der Bewahrtheit seiner Kriterien durchaus zu teilen. Nimmt manjedoch, wie zu Beginn erwahnt, zusatzlich das hohe Motivationspotenzial der Astro-teilchenphysik in den Blick, so lasst sich sogar fur die besondere Eignung des Themasargumentieren. Aktualitat, Authentizitat und Anerkennung des Kontexts motivierendie Schuler und regen zu einer aktiven Auseinandersetzung mit dem Thema an. Geradedadurch kann das mit Klafkis Kriterien argumentierte Potenzial der Astroteilchenphy-sik am Beispiel des IceCube-Experiments voll ausgeschopft werden.
3.2. Einordnung in den Lehrplan
Wahrend die im Abschnitt 3.1 genannten Argumente deutlich fur die exemplari-sche Behandlung der Astroteilchenphysik im Schulunterricht sprechen, so finden sichin den rheinland-pfalzischen Lehrplanen, auf die sich hier aus geographischer Nahezunachst ausfuhrlich bezogen wird, kaum explizite Hinweise auf dieses Themengebiet(vgl. MBWWK RLP, 2000, MBWWK RLP, 2014). Dennoch lassen sich bei genau-erem Hinschauen eine Reihe an Anknupfungspunkten finden, die eine exemplarischeBehandlung durchaus nahelegen.
Betrachten wir zunachst den Mittelstufenlehrplan, sticht sofort”Themenfeld 7:
Kosmos und Forschung - Physik als sich weiterentwickelnde Wissenschaft“ (MBWWKRLP, 2014, S. 112 f.) ins Auge. Auch hier wird betont, dass es sich mit Kosmos,um ein
”seit jeher faszinierendes Thema“(MBWWK RLP, 2014, S. 112) handelt, das
großes Potenzial hat, die forschende Neugier der Schuler zu wecken. Im Vordergrundsteht dabei vor allem die Kompetenzentwicklung im Bereich der Kommunikation; dieFachinhalte obliegen der Auswahl der Lehrkraft. Damit eroffnet sich der Spielraumfur die Behandlung der Astroteilchenphysik am Beispiel des IceCube-Experiments.In seinem astrophysikalischen Anteil mit der Suche hochenergetischer Quellen in denWeiten des Universums passt das IceCube-Experiment hervorragend unter das Obert-hema des Kosmos. Gleichzeitig ist das IceCube-Experiment, welches erst seit 2010 in
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3. Didaktische Analyse
Betrieb ist, ein Paradebeispiel fur aktuelle Forschung im Bereich der modernen Phy-sik und erfullt somit problemlos auch den zweiten Aspekt des Themenfeldes. Auchwenn nicht in Kombination, so finden sich die Astrophysik mit dem
”Blick ins Univer-
sum”, die Teilchenphysik als”Blick ins Innere der Teilchen“ und sogar ein Verweis auf
”Beschleuniger und Detektoren“ als Vorschlage zur Kontextorientierung im Lehrplan
(MBWWK RLP, 2014, S. 113). Zwar schlagt dieser zur Forderung der kommunikativenKompetenz die Beschrankung auf einfache Inhalte vor und verweist darauf, dass dieAnforderung bei Themen wie der Verknupfung von Astro- und Teilchenphysik steigt.Doch kann es sinnvoll sein, den Schulern etwas zuzutrauen, verknupft mit der Option,dadurch auch ihr Selbstvertrauen zu starken. Außerdem scheint gerade vor dem Zielder sich weiterentwickelnden Wissenschaft der Aspekt der Verknupfung verschiedenerTeilgebiete ein wesentlicher zu sein. Zudem wurde in Abschnitt 3.1 ausfuhrlich ar-gumentiert, weshalb es sich gerade fur die Forderung kommunikativer Kompetenzen,wie es das Hauptziel dieses Themenfeldes ist, eignet. Schließlich erfullt das IceCube-Experiment die drei Saulen des Lehrplans par excellence (vgl. MBWWK RLP, 2014, S.9). Es bietet einen motivierenden Kontext, fordert Kompetenzen vor allem in den Be-reichen Kommunikation und Methode, und das Fachwissen kann mit Basiskonzeptenwie dem Wechselwirkungskonzept verknupft werden (vgl. Abschnitt 3.1). Abschlie-ßend soll angemerkt sein, dass auch eine Behandlung im
”Themenfeld 12: Praxis und
Forschung - selbststandig und fragengeleitet experimentieren“ moglich ist, da hierkeinerlei fachliche Vorgaben gemacht werden (MBWWK RLP, 2014, S. 122 f.). EineBehandlung in Themenfeld 7 liegt jedoch wesentlich naher.
Betrachtet man nun den rheinland-pfalzischen Lehrplan fur die Sekundarstufe II,so finden sich dort sowohl die
”Astrophysik“ als auch
”Elementarteilchen“ als Wahl-
pflichtthemen in der Qualifikationsphase fur Grund- und Leistungskurs (MBWWKRLP, 2000, S. 16 f.). Wahrend diese explizite Nennung, zwar nicht der Astroteilchen-physik, doch zumindest ihrer beiden Teilgebiete, zunachst vielversprechend klingt,so relativiert die genauere Betrachtung dies ein Stuck weit. Im Grundfach stehenden Lehrkraften 23 Wahlpflichtthemen zur Auswahl, von denen lediglich sechs aus-zuwahlen sind und auch im Leistungsfach verhalt es sich ahnlich. Dabei gibt es inder Praxis klare Praferenzen bei den Wahlpflichtmodulen, wobei die Auswahl an ei-nigen Schulen sogar schulintern vorgeschrieben ist. Diese gewahlten Themen stellenzumeist eine Vertiefung eines Pflichtthemas dar, wie zum Beispiel
”Mikroobjekte II“,
oder lassen sich besonders gut mit Pflichtthemen verknupfen, so wie sich”Elektro-
magnetische Wellen“ im Anschluss an”Elektromagnetische Schwingungen“ und vor
dem Hintergrund der Behandlung”Mechanischer Schwingungen und Wellen“ anbie-
tet. Eine Behandlung der Themen”Astrophysik“ und
”Elementarteilchen“ ist außerst
selten. Zudem legt deren Inhaltsbeschreibung eine Verknupfung kaum nahe. Die Teil-chenphysik bleibt weitestgehend auf das Standardmodell und die Wechselwirkungenbeschrankt und die Astrophysik konzentriert sich auf die Beschreibung physikalischerEigenschaften wie Masse und Große der Sonne und anderer Sterne (MBWWK RLP,2000, S. 31 f.). Doch gerade wegen dieser mangelnden Prasenz des Themas in derOberstufe, eignet sich der Lernparcours genau dort besonders. Indem er auf eine Dop-pelstunde beschrankt ist und kein Vorwissen erfordert, bietet er die Moglichkeit, gleich
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3. Didaktische Analyse
zwei Teilgebiete der modernen Physik, die sonst wahrscheinlich keinen Eingang in denPhysikunterricht gefunden hatten, zumindest exemplarisch kennenzulernen und even-tuell sogar ein Argument fur die Entscheidung zum Physikstudium zu sein. Wird einesder Themengebiete tatsachlich in einer Unterrichtsreihe behandelt, so bietet sich derLernparcours vor allem als motivierender Einstieg oder interessanter Ausblick am En-de der Reihe an. Werden sogar beide Wahlpflichtthemen behandelt, so bietet er sichals guter Ubergang an.
Werfen wir einen Blick in die Lehrplane anderer Bundeslander, wobei die Hetero-genitat der Lehrplane der Bundeslander aufgrund geographischer Nahe und somiteiner gesteigerten Wahrscheinlichkeit der Durchfuhrung des Lernparcours, anhandder benachbarten Bundeslander Baden-Wurttemberg, Hessen, Nordrhein-Westfalenund dem Saarland exemplifiziert werden soll. Dabei fallt auf, dass sich in keinem derMittelstufenlehrplane Anhaltspunkte, die eine exemplarische Behandlung der Astro-physik rechtfertigen wurden, finden lassen (vgl. HEKM, 2003, HEKM, 2010a, MKJSBW, 2016, MSW NRW, 2014a, SLMBFFK, 2013). Die Kurze und Eigenstandigkeitunseres Lernparcours scheint gerade hier umso wichtiger, um eine Durchfuhrung den-noch zu ermoglichen und den Schulern wenigstens einen Einblick in aktuelle Physikjenseits des klassischen Unterrichts zu geben. Wahrend im Saarland auch im Ober-stufenlehrplan weiterhin jede Spur von Themengebieten wie der Astro- oder Teilchen-physik fehlen (SLMBFFK, 2008), finden sich Astro- und Teilchenphysik als 2 von 7bzw. 9 Wahlthemen fur die Q4, das letzte Halbjahr der Oberstufe, in Hessen undBaden-Wurttemberg (HEKM, 2010b, MKJS BW, 2016). In Nordrhein-Westfalen falltdie Teilchenphysik sogar unter das Pflichtthemenfeld Strahlung und Materie (MSWNRW, 2014b). Fur Hessen und Baden-Wurttemberg gilt damit die gleiche Argumen-tation fur den Lernparcour wie fur Rheinland-Pfalz, wohingegen sich der Lernparcoursin Nordrhein-Westfalen klar am Ende der Unterrichtseinheit zu Elementarteilchen ver-orten lasst.
3.3. Inhalte des Lernparcours
Aus der Begrundung des Themas sowie seiner Einordnung in den Lehrplan ergibt sichdie ubergeordnete Zielsetzung des Lernparcours. Um dieser gerecht werden zu konnen,mussen die komplexen Fachinhalte geschickt ausgewahlt und dargelegt werden. Geeig-nete Kriterien, die dieses Verfahren vereinfachen, bietet die Elementarisierung, die des-halb zunachst in ihren Grundzugen dargestellt wird. Diese werden in einem nachstenSchritt konkret auf die Astroteilchenphysik am Beispiel des IceCube-Experiments an-gewandt.
3.3.1. Ubergeordnete Zielsetzung
Wahrend die Relevanz der Astroteilchenphysik in Abschnitt 3.1 ausfuhrlich begrundetwird, spiegeln die meisten Lehrplane und die Unterrichtspraxis dies kaum wider.Die ubergeordnete Zielsetzung des Lernparcours ist es deshalb, den Schulern einen
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3. Didaktische Analyse
Einblick in die Grundlagen der Astroteilchenphysik sowie in ihre konkrete Anwen-dung zu ermoglichen. Entscheidend ist hier das Wort
”Einblick“. Im Vordergrund
steht nicht die Aneignung konkreter Fachinhalte sondern vielmehr ein verknupftesUberblickswissen. Dieses weckt im besten Fall Interesse bei den Schulern, welcheszu einer tiefergehenden Beschaftigung mit dem Thema fuhren kann. Diese Zielset-zung ist zunachst fur alle Jahrgangsstufen gleich, da die Schuler uber keinerlei Vor-wissen auf diesem Gebiet verfugen. Wird der Parcours im Rahmen des entsprechen-den Wahlpflicht- beziehungsweise Pflichtthemas in der Oberstufe behandelt und da-bei nicht nur als Einstieg genutzt beziehungsweise befindet man sich in Nordrhein-Westfalen, so verschiebt sich das Ziel hin zur Anwendung und Vertiefung der zuvorgelernten Fachinhalte. Da die meisten Schuler jedoch nicht uber solches Vorwissenverfugen, ist die Auswahl und Darlegung der Fachinhalte an ersterer Zielsetzung zuorientieren. Fur diesen Prozess ist es hilfreich, zunachst die Kriterien der Elementari-sierung zu betrachten.
3.3.2. Elementarisierung als Grundlage
Schon im 17. Jahrhundert schreibt Comenius in seiner didactica magna, dass esgrundsatzlich moglich sei, allen Menschen alles zu lehren. Denn jeder Gegenstandkonne so dargestellt werden, dass jeder ihn im Wesentlichen verstehe (Comenius,1954). Genau darum geht es bei der Elementarisierung, die gelegentlich auch alsdidaktische Reduktion bezeichnet wird. Ihr Ziel ist
”die Vereinfachung eines gege-
benen Sachverhalts“ (Reinhold, 2006, S. 87) in”elementare Sinneinheiten“ (Kircher,
2009b, S. 115). Der anschließende”Wiederaufbau von Strukturen aus den Sinnein-
heiten”wird auch als didaktische Rekonstruktion bezeichnet (Kircher, 2009b, S. 115).Kircher (2009, S. 119 ff.) formuliert fur diesen Prozess drei Kriterien:
• fachgerecht : Die Inhalte durfen nicht so vereinfacht werden, dass sich fur dieLernenden fachliche Widerspruche ergeben und mussen in ihrer Konzeption imweiteren Lernverlauf erweiterbar sein.
• schulergerecht : Die Inhalte sollen sich an den Alltagserfahrungen und dem Vor-wissen der Schuler orientieren.
• zielgerecht : Die Inhalte sind einem großeren Ziel untergeordnet, welches auchmethodischer Natur sein kann.
Um diese Kriterien zu erfullen, bietet Kircher (2009b, S.122) verschiedene praktischeMethoden zur Elementarisierung an, wie zum Beispiel das Idealisieren, die Analogie-bildung oder die Verwendung von Modellen, welche im Folgenden auch angewendetwerden.
3.3.3. Elementarisierung des IceCube-Experiments
Mit Hilfe der Kriterien der Elementarisierung gilt es nun, die im physikalischen Rah-men der Arbeit dargestellten Inhalte so auszuwahlen, zu vereinfachen und in elemen-tare Sinneinheiten zu gliedern, dass das ubergeordnete Ziel erreicht werden kann.
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3. Didaktische Analyse
Standardmodell der Elementarteilchen
Beginnen wir zunachst wortlich bei der kleinsten Einheit, den Elementarteilchen.Wahrend dies auf den ersten Blick einleuchten mag, stellt sich jedoch durchaus dieFrage, warum nicht den Schulern vertraute Teilchen wie Elektronen, Protonen undKerne als kleinste, unabhangig agierende Einheiten genugen. Dies hangt vor allemmit der betrachteten Fragestellung, der Suche nach hochenergetischen Quellen mitdem IceCube-Experiment zusammen. Diese Suche konzentriert sich auf hochenergeti-sche Neutrinos, welche in ihren Wechselwirkungen Myonen, Elektronen und Hadronenerzeugen. Weder die drei Neutrinoarten noch das Myon oder die verschiedenen Ha-dronen sind den Schulern aus dem Unterricht bekannt. Sie an entsprechenden Stelleneinzeln einzufuhren, birgt die Gefahr unverknupftes Wissen zu schaffen und die Schulermit der Mischung aus neuem und altem
’Teilchenzoo‘ zu verwirren. Das Standardmo-
dell bietet dagegen eine systematische Anordnung der kleinsten Teilchen, indem esdiese nach ihren Eigenschaften verknupft. Es betont gezielt den Unterschied der ele-mentaren Teilchen von den nicht elementaren Teilchen. Dabei konnen die elementarenTeilchen als Bestandteile der nicht elementaren Teilchen sowohl mit dem Vorwissen derSchuler zu Protonen und Kernen verknupft als auch zur Konstitution neuer Teilchenaus der Familie der Hadronen genutzt werden. Schließlich stellt das Standardmodellder Elementarteilchen den Kern der Teilchenphysik, ahnlich der Bedeutung des Peri-odensystems der Elemente fur die Chemie, dar. Eine Unterrichtseinheit, die sich demThemengebiet der Astroteilchenphysik verschreibt, sollte auch deshalb diese Grund-lage nicht missen.
Betrachtet man nun die Elementarteilchen, findet schon mit der Nutzung des Teil-chenbegriffes eine erste didaktische Reduktion statt, da es sich mit dem Standard-modell eigentlich um eine Quantenfeldtheorie handelt. Ausfuhrliche Uberlegungen da-zu, in denen sich die Konzepte Anzahl und Ort und die Beschreibung als Feld ge-genuberstehen, finden sich bei Passon (2014). Dieser empfindet letztlich jedoch beideals unzureichend, stellt zugleich aber auch fest, dass weitergehende Konzepte nichtmehr schulergerecht waren. An dieser Stelle verweist Kott (2016) auf einen
”kau-
salen Teilchenbegriff mit operationalen Kennzeichen“ (S.45), den Falkenburg (2013)mit den Attributen
”Bundel dynamischer Großen“,
”lokalisierbar“ und
”statistisch
unabhangig“ charakterisiert (S.159). Wie auch fur Kott (2016) kann diese Teilchen-vorstellung als
”Objekte mit unterschiedlichen Eigenschaften, wechselwirkend und un-
abhangig voneinander messbar“ unseren Inhalten gerecht werden. An dieser Stelle sollnoch auf die von Hacker und Hilscher (2001) beschriebene Vieldeutigkeit des Teilchen-begriffes verwiesen sein, wobei im schulischen Kontext hier vor allem eine Abgrenzungvom Teilchenmodell, mit welchem zum Beispiel Aggregatzustande erklart werden, zuziehen ist (S. 498).
Vom reinen Teilchenbegriff zuruck zu den Elementarteilchen als kleinsten Bestand-teilen der Materie muss bedacht werden, dass das Elektron das einzige den Schulernbekannte Elementarteilchen ist. In der Regel sind Schuler ab der Mittelstufe auf demKenntnisstand, dass Atome aus Neutronen, Protonen und Elektronen als kleinstenTeilchen aufgebaut sind. Dementsprechend ist es sinnvoll, zunachst die einzelnen Ele-
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3. Didaktische Analyse
mentarteilchen mit ihren Eigenschaften kennenzulernen. Da die Schuler kaum Vorwis-sen zur Teilchenphysik mitbringen, wird sich zunachst auf eine Gruppe von Teilchenbeschrankt. Dafur werden an dieser Stelle die Fermionen ausgewahlt und dement-sprechend die Bosonen vernachlassigt, womit auch eine Behandlung von Feynmann-Diagrammen ausgeschlossen ist. Die Auswahl ist zum einen in der Relevanz der Fer-mionen fur die noch folgende Verknupfung mit der Astrophysik begrundet. Zum ande-ren bringen die Bosonen als virtuelle Austauschteilchen potenzielle Verstandnishurdenund Fehlvorstellungen fur die Schuler mit. Schließlich ist eine Thematisierung derFermionen und ihrer Wechselwirkungen auch ohne das Konzept der Austauschteil-chen fachlich korrekt moglich. In einer Unterrichtsreihe zum Standardmodell bietetsich dafur das Konzept Teilchen-Ladung-Wechselwirkung, wie es von der KooperationTeilchenwelt Physik vorgeschlagen wird, an (Kobel, 2017). Es betont die gemeinsamenphysikalischen Prinzipien in Form des Ladungsbegriffes, die hinter den verschiedenenWechselwirkungskraften stehen. Die Austauschteilchen dienen hier nur einer detaillier-teren Beschreibung der Wechselwirkung, das Konzept ist auch ohne sie anwendbar. Dafur den Lernparcours nur 90 Minuten zur Verfugung stehen und davon das Standard-modell wiederum nur einen kleinen Teil fullen soll, muss das Konzept weiter reduziertwerden. Es wird deshalb auf einen allgemeinen Ladungsbegriff verzichtet, da Farbla-dung und schwache Ladung fur die Schuler ganzlich neue Konzepte darstellen wurden.Stattdessen stellen die Arten der Wechselwirkungen Teilcheneigenschaften dar, derenVorhandensein nicht weiter begrundet wird. Damit bleibt der Zusammenhang um denallgemeinen Ladungsbegriff erweiterbar, der sich bei einer ausfuhrlicheren Behandlungim Rahmen einer Unterrichtsreihe unbedingt empfiehlt.
Um den Schulern den Uberblick uber die neu kennenzulernenden Teilchen zu er-leichtern, empfiehlt es sich, diese systematisch im Standardmodell zu betrachten. Da-bei ist eine systematische Anordnung von Teilchen, mit den Elementen im Perioden-system in der Regel bereits aus dem Chemieunterricht bekannt und impliziert in seinerAnalogie auch die grundlegende Bedeutung des Standardmodells fur das Gebiet derTeilchenphysik. Fur die Anordnung bieten sich dabei die Arten der moglichen Wech-selwirkung, die elektrische Ladung der Teilchen sowie ihre Ruhemasse an. WeitereEigenschaften wie zum Beispiel der Spin oder die Paritat werden vernachlassigt, dasie weder zwingend fur die Anordnung benotigt werden, noch fur den folgenden astro-physikalischen Kontext relevant sind und fur die Schuler vollkommen neue physikali-sche Großen darstellen wurden. Wahrend Masse und Ladung als Teilcheneigenschaftden Schulern bekannt sein sollten, sind es ihre Großenordnungen wahrscheinlich nicht.Um die fur Schuler ungewohnte Schreibweise in Zehnerpotenzen zu vermeiden, werdenalle Großen als Vielfaches der Elektronenmasse beziehungsweise seiner Elementarla-dung angegeben und konnen so einfacher zueinander ins Verhaltnis gesetzt werden.Dagegen ist die Teilcheneigenschaft der Wechselwirkungsart ganzlich neu. Die Kom-plexitat der Wechselwirkungsarten wird reduziert, indem sie lediglich in Bezug auf ihreStarke differenziert werden. Dieses Merkmal bestimmt schließlich auch die Wechsel-wirkungswahrscheinlichkeit und somit das Durchdringungsvermogen, das die Teilchenin Materie haben. Die Eigenschaften der Elementarteilchen in Bezug auf ihre Wech-selwirkungsmoglichkeiten spielen vor allem spater bei der Konzeption des Detektorseine wichtige Rolle und sollten deshalb grundgelegt werden.
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3. Didaktische Analyse
Astrophysikalischer Kontext
Vom wortlich Kleinsten kommen wir in unserer nachsten Sinneinheit mit dem Uni-versum zum Allergroßten. Die Astrophysik beschaftigt sich mit den physikalischenGrundlagen der Erforschung des Universums. Es geht also darum, wie wir Informa-tionen uber die Lage und die Art von Himmelskorpern erhalten. Eine grundlegendeElementarisierung dabei ist das Sender-Empfangermodell, was allen Schulern, denrheinland-pfalzischen sowohl aus
”Themenfeld 1: Akustische Phanomene - Schall im
Basiskonzept Wechselwirkung“ als auch aus”Themenfeld 2: Optische Phanomene an
Grenzflachen - Licht im Basiskonzept Wechselwirkung“, bekannt sein sollte (MBWWKRLP, 2014, S. 100 ff.). In Bezug auf Licht ist der Sender eine Lichtquelle wie zum Bei-spiel die Sonne und der Empfanger wird durch das menschliche Auge dargestellt. Auchin der Astrophysik sind Quellen die Sender, die im Unterschied zur Optik im Mittelstu-fenunterricht nicht nur sichtbares Licht, sondern verschiedene Strahlungsarten sowieauch Teilchen aussenden. Wahrend das menschliche Auge ein moglicher Empfangerbleibt, wird die Bandbreite an Empfangern um Teleskope erweitert.Eine weitere Elementarisierung ist dabei die Behandlung von Licht als Strahl, dieeiner ebenfalls in Themenfeld 2 vorgenommenen Idealisierung entspricht. Diese zuubernehmen ist sinnvoll, da der Lernparcours nicht nur an Oberstufenschuler, sondernauch an Mittelstufenschuler gerichtet ist, an deren Vorwissensstand damit angeknupftwird. Ihnen durfte sowohl der Wellencharakter als auch der Teilchencharakter desLichtes weitgehend unbekannt sein und auch Oberstufenschuler thematisieren dieseNatur des Lichts erst im Verlauf der Qualifikationsphase (MBWWK RLP, 2000, S.26 f.). Doch auch wenn jene Charakterzuge des Lichts schon thematisiert wurden, istden Schulern das Strahlenmodell weiterhin bekannt und kann von ihnen angewendetwerden. Die beiden Modelle sind vereinbar, was im Rahmen des Quantenphysikun-terrichts oft auch explizit thematisiert wird. Auf der Basis des Strahlenmodells ist esentsprechend nicht moglich, Lichtquanten verschiedener Energien zu betrachten, umdie verschiedenen Informationen, die man uber Quellen erhalt, zu erklaren. Stattdes-sen wird in verschiedene Strahlungsarten wie Infrarotstrahlung oder sichtbares Licht,die die Schuler aus ihrer Alltagswelt kennen, unterschieden, ohne eine Verbindung zurWellenlange des Lichts und der Energie seiner Quanten herzustellen.
Auch der Weg, den die Strahlung zurucklegt, wird stark vereinfacht. Wahrend inAbschnitt 2.1 eine Vielzahl an Wechselwirkungen der Photonen zum Beispiel mit in-terstellarem Staub, interstellarem Plasma oder durch Compton Stoßen mit Elektronenbeschrieben werden, sind diese mit dem Strahlenmodell nicht zu erklaren. Dafur istden Schulern jedoch das Konzept der Absorption, ebenfalls aus Themenfeld 2, bekannt(MBWWK RLP, 2014, S. 102 f.). Ohne naher auf die dahinterstehenden Prozesseeinzugehen, kann damit erklart werden, warum bestimmte Strahlungsarten die Erdenicht erreichen konnen. Vor allem Schuler, die die Absorption beim Farbsehen, dieder rheinland-pfalzische Mittelstufenlehrplan lediglich als Differenzierungsmoglichkeitvorschlagt (MBWWK RLP, 2014, S. 103 f.), kennen, konnen hier klare Parallelenerkennen. Durch die Absorption bestimmter Strahlungsarten erreichen die Erde vonmanchen Quellen lediglich wenige Strahlungsarten. Damit gehen auch entscheiden-
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3. Didaktische Analyse
de Informationen verloren. Im Schulkontext kann dies veranschaulicht werden, indemlediglich auf das Licht im sichtbaren Bereich, welches weiterhin die Erde erreicht, ver-wiesen wird. Dieses weist zwar auf eine Quelle hin, reicht jedoch nicht als Informationaus, um die Art der Quelle zu bestimmen.
Dementsprechend ist es notwendig auch die Teilchen, die die Erde aus dem Uni-versum erreichen, genauer zu betrachten. Auch hier wird nun wieder didaktisch redu-ziert. Wir suchen gezielt nach besonders hochenergetischen Quellen, die sich, durchihre Eigenschaft hochenergetische Teilchen auszusenden, als solche qualifizieren. Da-bei werden die in Abschnitt 2.3 beschriebenen Beschleunigungsprozesse ganzlich ver-nachlassigt. Das Konzept ist damit jedoch nicht falsch, sondern verzichtet lediglichdarauf, die genauen Prozesse hinter dem Ursprung der hochenergetischen Teilchenzu beschreiben, um die es jedoch bei ausfuhrlicherer Betrachtung problemlos erwei-tert werden konnte. Mit den von den Quellen ausgesandten Teilchen wird an dieTeilchen aus dem Standardmodell angeknupft. Wahrend es sich mit dem Neutrinound dem Elektron um Elementarteilchen handelt, sind das Proton und die schwerenKerne aus den Elementarteilchen Up-Quark und Down-Quark aufgebaut. Mit diesemZusammenhang kann das Standardmodell mit dem Vorwissen der Schuler uber dieZusammensetzung von Atomkernen aus Protonen und Neutronen verknupft werden.
Schließlich stellt sich die Frage, welche dieser Teilchen Informationen uber die Po-sition hochenergetischer Quellen im Universum liefern konnen. Die zu diesem Zweckgesuchten Teilchen werden deshalb auch als Botenteilchen bezeichnet. Ihre Eignungals solche wird in drei Bedingungen didaktisch reduziert. Wahrend alle genanntenTeilchen die erste Bedingung, auf ihrem Weg durchs Universum nicht absorbiert zuwerden, erfullen, schließt die zweite Bedingung, ihre Richtungsinformation nicht zuverlieren, alle geladenen Teilchen aus. Auch hier wird didaktisch reduziert, indem alsUrsache einer moglichen Ablenkung der Teilchen Magnetfelder im Universum ledig-lich genannt werden. Woher diese wiederum stammen, wird nicht ausgefuhrt. Eineanschlussfahige detailliertere Betrachtung, die die Teilchenstrome als bewegte Ladungselbst als Ursache der Magnetfelder sieht, ist somit auch hier moglich. Diese ergibtjedoch erst ab der Qualifikationsphase Sinn, da den Schulern der Zusammenhang vonelektrischen und magnetischen Phanomenen erst dann bekannt ist (MBWWK RLP,2000, S. 26). Deshalb ist es auch notwendig, an dieser Stelle explizit darauf zu ver-weisen, dass geladene Teilchen in Magnetfeldern abgelenkt werden. Damit ergebensich wiederum weitere Verknupfungspunkte fur die Schuler. Die im Standardmodellder ersten Station angegebene Eigenschaft der Ladung gewinnt an Bedeutung. Dazumussen die Schuler die Zusammensetzung aus Elementarteilchen der von der Quelleausgesandten Teilchen wie dem Proton mit der Eigenschaft der Ladung in Verbindungbringen. Als elektrisch neutrales Teilchen erfullt schließlich das Neutrino die zweite Be-dingung. Hier liegt wiederum eine Idealisierung vor. Wahrend im Standardmodell indrei Neutrinosorten unterschieden wird, werden die drei Sorten im folgenden in ihrerUberkategorie zusammengefasst behandelt. Dies ist sinnvoll, da die hier betrachte-ten Eigenschaften fur alle drei Neutrinosorten identisch sind. Zudem ist es Neutrinosdurch Oszillationen moglich, ihre Neutrinosorte zu wechseln. Da dies jedoch die Er-klarungsmoglichkeiten des schulischen Rahmens eindeutig ubersteigt, ist es auch dafursinnvoll, die Neutrinosorten nicht mehr weiter zu unterscheiden.
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3. Didaktische Analyse
Die Messung mit dem IceCube-Detektor
Die dritte Bedingung an die Botenteilchen ist, dass sie messbar sein mussen. Wahrendeine weitere Gemeinsamkeit aller Neutrinosorten, namlich dass sie nur der schwachstenWechselwirkung unterliegen und damit selten mit Materie interagieren, dies erschwert,ist es aber aufgrund des hohen Neutrinoflusses dennoch praktisch moglich. Um einengeeigneten Messprozess diskutieren zu konnen, ist es zunachst wichtig, zu betrachten,wie die Wechselwirkung der Neutrinos mit Materie tatsachlich aussieht. An dieserStelle wird besonders stark didaktisch reduziert. Wahrend eigentlich eine Vielzahl anReaktionen mit den verschiedensten Wechselwirkungspartnern und Produkten moglichwaren, wird sich im Schulkontext auf eine einzige und zwar die fur unser Botenteilchenhaufigste beschrankt. Dabei spielen drei Beschrankungskriterien, die den Schulern zurWahrung der fachlichen Relevanz offen gelegt werden, eine entscheidende Rolle. Dasubergeordnete Kriterium ist dabei immer die Wahrscheinlichkeit. So ist eine Reak-tion der Botenneutrinos mit den Atomkernen eines Materials wesentlich wahrschein-licher als eine Reaktion mit den Hullenelektronen. Dementsprechend werden diesevernachlassigt und nur die Nukleonen werden als potenzielle Wechselwirkungspartnerbetrachtet. Des Weiteren hangt die Art der Wechselwirkung von der Neutrinosorte ab.An dieser Stelle muss also wieder genauer differenziert werden, was geschieht, indemlediglich das Myonneutrino betrachtet wird. Die Auswahl liegt darin begrundet, dassder IceCube-Detektor mehr Myonen als Elektronen und keine Tauonen registriert.Schließlich hangt die Art der Wechselwirkung stark von der Energie der Botenteil-chen ab. Da wir es mit hochenergetischen Teilchen im Bereich von TeV zu tun haben,betrachten wir gezielt die fur diesen Energiebereich wahrscheinlichste Reaktion zwi-schen kosmischen Myonneutrinos und den Nukleonen des Wechselwirkungsmaterials.Als Reaktionsprodukte erhalten wir dann Myonen, Elektronen und Pionen (vgl. Ab-schnitt 2.4.1). Auch hier liegt eine didaktische Reduktion vor, da die verschiedenenPionarten nicht unterschieden werden.
Auch bei der Messung der Reaktionsprodukte wird didaktisch reduziert, indemdort zunachst exemplarisch die Myonen betrachtet werden. Die Exemplarizitat wirdspater in den Gesamtkontext eingeordnet und damit fachgerecht, indem die Ana-logie des Messprozesses zu den Elektronen aufgezeigt wird, wohingegen die Pionenvom IceCube-Detektor nicht erfasst werden. Grundlage des Messprozesses bietet derCherenkov-Effekt, der fur die Schuler weder an Vorwissen aus dem Unterricht nochan Alltagserfahrungen anknupft. Um seine Neuheit und Komplexitat zu reduzieren,bietet es sich an, eine Analogie zu nutzen. Wahrend den Schulern vor dem Lern-parcours Myonen wahrscheinlich kein Begriff sind und ihre Eigenschaft als bewegteLadung elektromagnetische Strahlung auszusenden, hochstens von Schulern im Ver-lauf der Qualifikationsphase nachvollzogen werden kann (MBWWK RLP, 2000, S. 26f.), sind akustische Phanomene den Schulern nicht nur seit der Mittelstufe bekannt(MBWWK RLP, 2014, S. 100 f.), sondern stammen aus ihrer alltaglichen Erfahrungs-welt. Das grundlegende Konzept, das dabei immer wieder genutzt wird, um akustischePhanomene zu erklaren, ist das Sender-Trager-Empfangermodell. So ist es nicht vonBedeutung, ob den Schulern gerade der Uberschallknall aus der Mittelstufe schon be-
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3. Didaktische Analyse
kannt ist oder ob das ein oder andere Detail dazu wieder vergessen wurde, sondern eskann auf das Modell zuruckgegriffen werden, um diesen zu erschließen und anschlie-ßend auf sein Analogon der Cherenkov-Strahlung zu ubertragen. Das Flugzeug alsSender der Schallwelle beim Uberschallknall entspricht dem Myon als Sender der elek-tromagnetischen Welle beim Cherenkov-Effekt. Zwar hat Licht kein Tragermedium wiees die Luft fur den Schall darstellt, doch ahneln sich beide Elemente in ihrer Eigen-schaft Referenzmedium fur die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu sein. Der Empfanger,den beim Uberschallknall das menschliche Ohr darstellt, wird beim Cherenkov-Effektdurch einen Lichtsensor als Teil des Detektors ersetzt. Die Graphik, die die Entste-hung des Schallkegels als Uberlagerung der einzelnen Schallwellen darstellt, kann indem gewohnten Kontext gut nachvollzogen werden. Sie ist fur die Entstehung desCherenkov-Effekts identisch und kann aufgrund der hergestellten Analogie auch indiesem Kontext verstanden werden.
Eine nachste sehr stark elementarisierte Einheit stellt der Messvorgang selbst dar.Dieser klingt schon im Lichtsensor als Empfanger in der Analogiebeschreibung desCherenkov-Effekts an und wird auch nicht weiter ausgefuhrt. Diese Auswahl liegtzum einen in dem ubergeordneten Ziel des Einblicks in die Astroteilchenphysik be-grundet. Eine genauere Betrachtung wurde nicht nur den Zeitrahmen von insgesamt90 Minuten uberschreiten, sie ware fur das Oberthema der Astroteilchenphysik auchnicht zielfuhrend, da die dahinterstehende Technik, zum Beispiel das Funktionsprin-zip eines Photomultipliers, vielmehr den Themengebieten der Elektrizitatslehre undder Quantenphysik zuzuordnen ware. Zum anderen findet sich das Themengebiet derQuantenphysik erst im Verlauf der Qualifikationsphase im Lehrplan und kann somitfur die Zielgruppe des Lernparcours nicht vorausgesetzt werden (MBWWK RLP, 2000,S. 27). Die Sinneinheit von Lichtsensoren, die die durch den Cherenkov-Effekt entste-hende Strahlung messen, und so uber die Energie und Richtung der eintreffendenMyonen Auskunft geben, ist fachlich relevant. Sie genugt fur das weitere Verstandnisder Schuler vom IceCube-Experiment und ist anschlussfahig, indem eine eventuellspatere Behandlung eines Photomultipliers nicht zu Widerspruchen fuhrt.
Schließlich steht das IceCube-Experiment vor dem Problem, dass vom Detektor,wie in Abschnitt 2.5.4 beschrieben, nicht nur von den Botenneutrinos erzeugte Myonengemessen werden. Das Problem wird mit Hilfe zweier Beispiele, der Wechselwirkungeines Protons in der Atomhulle und der Erzeugung von Myonen aus der Wechsel-wirkung verschiedener Teilchen in der Atomhulle, veranschaulicht. Die entscheidendeElementarisierung stellen dann die Entscheidungskriterien Energie und Richtung dar.Sie sind fachlich relevant, indem sie den tatsachlichen Entscheidungskriterien entspre-chen. Sie vereinfachen jedoch, indem sie davon ausgehen, dass jedem Ereignis immerdie richtige Energie zugeordnet werden kann und sich die Spur und damit die Richtungder Teilchen immer genau messen lasst. Dies ist gerechtfertigt, da in den Materialienzu den Ereignissen der Modellcharakter betont wird und die Darstellung nicht versuchtreale Messdaten zu imitieren.
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3. Didaktische Analyse
3.4. Lernziele und Kompetenzen
Wahrend als Grundlage der Elementarisierung schon das inhaltliche Grobziel abge-steckt wurde, gilt es an dieser Stelle weitere Lernziele auszuloten, sodass die in derdidaktischen Umsetzung zu wahlenden Methoden darauf abgestimmt werden konnen.Die Lernziele orientieren sich dabei an den Kompetenzbereichen, die sich in den bun-desdeutschen Bildungsstandards (vgl. KMK, 2005) finden und auch im rheinland-pfalzischen Lehrplan (vgl. MBWWK RLP, 2014) genannt werden. Den Kontext, andem die Lernziele orientiert sind, bildet das IceCube-Experiment als Anwendungsbei-spiel der Astroteilchenphysik. Es gilt also auszuloten, welche Kompetenzen am Kon-text des IceCube-Experiments besonders gefordert werden konnen. Die hier gewahlteReihenfolge der Kompetenzbereiche orientiert sich dementsprechend an der Bedeu-tung, die den einzelnen Kompetenzbereichen innerhalb des Lernparcours zukommt.Der vierte Kompetenzbereich der Bewertung wird nicht gesondert aufgefuhrt, da derSchwerpunkt auf den anderen Kompetenzbereichen liegt und die Schuler aufgrund derKomplexitat des Themas nicht mit einer zusatzlichen Perspektive uberlastet werdensollen.
• Erkenntnisgewinnung: Bei der Erkenntnisgewinnung geht es vor allem um dasAnwenden naturwissenschaftlicher Methoden sowie eine Reflexion dieser. Damiteignet sich das IceCube-Experiment fur eine Starkung dieser Kompetenz beson-ders gut, da anhand seiner Entwicklung ein realer Forschungsprozess von derForschungsfrage zu den ersten Messergebnissen nachempfunden werden kann.Damit ist es auch moglich, den naturwissenschaftlichen Methoden einen sinn-stiftenden Kontext und den Schulern damit eine neue Perspektive auf die zumTeil gewohnten Methoden zu geben. Die Lernziele in diesem Bereich lauten des-halb:
– Die Schuler erschließen sich mit Hilfe naturwissenschaftlicher Methodeneine aktuelle physikalische Fragestellung, die Suche nach Quellen hochener-getischer Strahlung.
– Die Schuler vertiefen Methodenkompetenzen in den Bereichen Wahrneh-men, Ordnen, Erklaren und Prufen.
– Die Schuler reflektieren die von ihnen angewandten Methoden naturwis-senschaftlicher Erkenntnisgewinnung im Kontext eines realen Forschungs-prozesses.
• Kommunikation: Unter Kommunikationskompetenz verstehen die Bildungsstan-dards die Fahigkeit Informationen sach- und fachbezogen zu erschließen undauszutauschen. Das IceCube-Experiment eignet sich zur Festigung dieser Kom-petenz besonders gut, da es die Schuler mit einer Reihe ganzlich neuer Infor-mationen konfrontiert. Da an der Entwicklung des IceCube Experiments vieleinternationale Forscherteams beteiligt waren, motiviert es außerdem zu koope-rativem Arbeiten, welches kommunikative Kompetenz erfordert. Schließlich istein wissenschaftliches Großprojekt immer an Offentlichkeitsarbeit geknupft; eine
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3. Didaktische Analyse
Kommunikation nach außen wird hier Teil des Forschungsprozesses. Aus diesenVerknupfungen von Thema und Kompetenzen ergeben sich schließlich folgendeLernziele:
– Die Schuler konnen aus unterschiedlichen Materialien wie Videos, Texten,Graphiken sowie gegenstandlichen Modellen Informationen sachgerecht ent-nehmen.
– Die Schuler argumentieren und diskutieren in ihrer Zusammenarbeit inBezug auf die jeweiligen Fragestellungen naturwissenschaftlich schlussig.
– Die Schuler prasentieren die Ergebnisse ihres Forschungsprozesses unterdem Ziel des Werbens um Fordergelder sach- und adressatengerecht.
• Fachwissen: Bei der Kompetenz Fachwissen geht es vor allem um physika-lische Begriffe, Gesetzmaßigkeiten und Basiskonzepte. Wahrend das Themagrundsatzlich viel interessante Physik bietet, ist es vor dem Hintergrund, dass dieSchuler in diesem Bereich kaum uber Vorwissen verfugen, utopisch die gesam-te dahinter stehende Physik als Lernziel zu setzen. Es geht stattdessen darum,einen Einblick in die Grundlagen der Astroteilchenphysik sowie ihre konkreteAnwendung zu ermoglichen. Die entsprechenden fachlichen Minimalziele sind:
– Die Schuler kennen mit der Suche nach hochenergetischen Quellen einegrundlegende Forschungsfrage, die hinter dem IceCube-Experiment steht.
– Die Schuler nutzen naturwissenschaftliche Konzepte wie das BasiskonzeptWechselwirkung oder das Sender-Empfangermodell in der Auseinanderset-zung mit dieser Fragestellung.
– Die Schuler erschließen sich die einzelnen Forschungsschritte, die dasIceCube-Experiment begrunden.
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4. Didaktische Umsetzung
Im Folgenden wird beschrieben, wie die im letzten Abschnitt begrundeten und elemen-tarisierten Inhalte sowie die damit in Zusammenhang stehenden Lernziele didaktischrealisiert werden. Dafur werden zunachst einige methodische Grundlagen als Orientie-rung fur die konkrete Ausgestaltung erlautert. Ihre praktische Umsetzung wird dannim Gesamtkonzept des Lernparcours dargestellt und findet sich auch in der didak-tischen Umsetzung der einzelnen Inhalte in den jeweiligen Stationen. Abschließenderfolgen einige Anmerkungen zur Gestaltung des Textmaterials.
4.1. Methodische Grundlagen
Die Physikdidaktik bietet ein weites Spektrum an verschiedenen Methoden fur denPhysikunterricht. Im Folgenden werden die fur die Umsetzung der Lernziele relevantenMethoden vorgestellt.
4.1.1. Kooperativer Unterricht
Die erste grundlegende methodische Entscheidung ist die der Sozialform, in der derUnterricht erfolgen soll. Da Kommunikation ein zentrales Lernziel der Einheit dar-stellt und diese vor allem in der Kooperation von Schulern zum Tragen kommt, bietetsich ein entsprechend kooperativer Unterricht, der gelegentlich auch als Gruppenun-terricht bezeichnet wird, an. Eine mogliche Definition von kooperativem Unterricht,in dem
”Schuler in kleinen Gruppen zusammenarbeiten, um sich beim Aufbau von
Kenntnissen und beim Erwerb von Fertigkeiten gegenseitig zu unterstutzen“, bietenHasselhorn und Gold (2013, S. 308). Schließlich lassen sich uber die verschiedensteLiteratur (vgl. Borsch 2015, S. 9-33, Hasselhorn und Gold 2013, S. 308 f., Johnsonund Johnson 2013, S. 372 f., Riedl 2010, S. 198 f., Slavin 1995, S. 153 f.) hinweg eineReihe von Eigenschaften, die die beschriebene Sozialform kennzeichnen, identifizieren.
Eine solche Eigenschaft ist die positive Interdependenz. Dabei profitieren die einzel-nen Gruppenmitglieder vom Erfolg der anderen und das Erreichen des Gruppenziels istnur gemeinsam moglich. Zu erreichen ist eine solche Abhangigkeit zum Beispiel durcheine vorgegebene Aufgabenteilung, bei der alle Gruppenmitglieder Fuhrungsaufgabenubernehmen. Dies ist die Grundlage fur eine echte Zusammenarbeit und das Entsteheneines
’Wir-Gefuhls‘ der Gruppe. Somit genugt die einfache Anweisung
’Schaut euch
den Text gruppenweise an‘ nicht den Anspruchen kooperativen Lernens.Durch die schon angesprochene Aufgabenteilung wird eine innere Differenzierung
moglich und vom Einzelnen eine aktive Auseinandersetzung mit den jeweiligen Lernin-halten gefordert. Dabei ist der Lernende weitestgehend selbststandig und die Lehrkraft
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4. Didaktische Umsetzung
tritt in den Hintergrund; der Unterricht ist lernerzentriert. So entsteht auch Raum furdie Kreativitat der Lernenden. Letztendlich steuern diese ihren Lernprozess selbst,wobei sie jedoch nicht nur fur sich selbst, sondern auch der Gruppe gegenuber Verant-wortung tragen. Schließlich fordert der kooperative Unterricht auch soziale Kompe-tenzen, die uber die Inhaltsebene hinausgehen. Auf diese Weise werden Interaktions-und Kommunikationsfertigkeiten wie Zuhoren, respektvolle Kritik, Denken aus derPerspektive anderer und das Aushandeln von Kompromissen gestarkt. Des Weiterenwerden kooperative Kompetenzen zum solidarischen Handeln sowie die Reflektion desGruppenprozesses eingeubt. Es ist zu beachten, dass viele der durch kooperativenUnterricht geforderten Kompetenzen auch Voraussetzung fur einen solchen sind. DieGruppengroße ist fur verschiedene Formen kooperativen Unterrichts unterschiedlichund kann zwischen zwei bis sechs Gruppenmitgliedern liegen.
Die soeben angefuhrten Eigenschaften kooperativen Unterrichts lassen sich dabeiin einer Vielzahl verschiedener Formen und Konstellationen realisieren. Die wohl pro-minentesten sind die klassische Partnerarbeit, das Gruppenpuzzle sowie Helfersystemebeim Lernen in Dyaden. Eine relativ neue und mit entsprechend wenig Literatur be-legte Erscheinung ist das Spiel im Physikunterricht. Wahrend es bei Kircher (2009a,S. 150) als
”Handlungsform des Physiklehrens“ aufgefuhrt wird, sehen wir in seinen
Eigenschaften vor allem sein Potenzial als Form des kooperativen Unterrichts.
4.1.2. Spiele im Physikunterricht
”Physikerinnen und Physiker sind Spielkinder“ beginnt Labudde (2009, S. 404) seinen
Artikel. Schuler mogen bei diesem Satz vielleicht an den ein oder anderen Physiklehrerdenken, der mit Spaß an Experimenten und technischen Geraten herumtuftelt. DasSpiel als solches ist dagegen eine Raritat im Physikunterricht. Wahrend das Wort Spielvor allem Assoziationen wie Spaß und Vergnugen weckt, scheint die Ernsthaftigkeitdes klassischen Physikunterrichts, in dem Theorien aufgestellt und Gesetzmaßigkeitengezeigt werden, einen Widerspruch zu diesem Ansatz darzustellen. Betrachtet manjedoch die Eigenschaften und Arten des Spielens wie Kircher (2009a, S. 156 ff.), La-budde (2009, S. 410) und Mikelskis-Seifert und Behrendt (2012, S. 173 ff.) genauer,so lassen sich durchaus Verknupfungspunkte mit dem Physikunterricht erkennen.
Ein Spiel zeichnet sich allgemein dadurch aus, eine freiwillige Handlung, deren Zielin sich selbst begrundet liegt, zu sein. Dabei unterliegt es bindenden Regeln und wirdvon einem Gefuhl der Spannung und Freude begleitet. Spiele sind oft mit aktivemEngagement und intrinsischer Motivation verbunden. Die bindenden Regeln erinnernhier an die klaren Ablaufe der anderen Gruppenarbeitsformen und der Aspekt desaktiven Engagements findet sich dort in Schlagwortern wie Lernerzentrierung undSchuleraktivitat wieder. Es gibt also durchaus Hinweise, die eine Einordnung des Spielsals Auspragung des kooperativen Unterrichts stutzen. Das wohl entscheidendste Ar-gument stellt jedoch das Spiel als
”soziales Ereignis“ (Kircher, 2009a, S. 156) dar. Als
solches erfordert es Fahigkeiten zur Kommunikation und Interaktion, was sich zudemmit einer zentralen Zielkompetenz deckt. Die wohl starkste Verknupfung des Spielsmit der Physik findet sich in seiner Eigenschaft
”Voraussetzung fur wissenschaftli-
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4. Didaktische Umsetzung
ches Arbeiten“ zu sein, da”Wahrnehmungsleistungen [...] sowie Intelligenzleistungen
[...] großtenteils durch Spielaktivitat erworben“ werden (Oerter, 1977, S. 225). Hier-bei spielen auch Begriffe wie das
’indirekte Lernen‘ oder der sogenannte
’Huckepack-
Effekt‘ eine entscheidende Rolle. Schuler spielen in der Regel gerne; diese Motivationdes Spielens kann zur Aneignung von Wissen eingesetzt werden. Die Schuler lernendemnach Fachinhalte ohne sich bewusst dafur anzustrengen. Es ist ein ganzheitli-ches Lernen, das den konstruktivistischen Ansatz aufgreift. Zudem verbindet auchder Aspekt der Kreativitat das Spielen mit dem Physikunterricht, da physikalischeProbleme immer wieder kreative Losungen erfordern. Als abschließender Vorteil desSpielens im Physikunterricht soll noch der oft geforderte Methodenwechsel genanntsein, der den Unterricht auflockert und die Freude am Spiel moglicherweise anstelleder Unbeliebtheit des Physikunterrichts rucken lasst.
Das Spiel kennt viele verschiedene Auspragungsformen. Diese unterscheiden sich inder Literatur zum Beispiel hinsichtlich der Art der Spieleraktivitat, des Inhaltes oderdes Spielziels. Die verschiedenen Unterscheidungskriterien bedingen dabei auch, dasssich ein konkretes Spiel schließlich nicht immer nur einer einzigen Kategorie zuordnenlasst, was man fur die noch folgende Beschreibung der einzelnen Lernspiele im Hin-terkopf behalten sollte. Hier sollen jedoch zunachst jene Spielkategorien vorgestelltwerden, die sich fur eine Umsetzung als Teil des Lernparcours besonders eignen:
• Konkurrenzspiele: Das Konkurrenzspiel zeichnet sich dadurch aus, dass es Ge-winner und Verlierer gibt. Damit betont es besonders Leistung und Gewinnstre-ben. Wahrend dies teilweise auf Kritik stoßt, muss konstatiert werden, dass Kin-der mit zunehmendem Alter diese Art des Spiels bevorzugen (Einsiedler, 1991,S. 141). Ein Grund dafur mag auch das Spannungsmoment sein, das dieser Artdes Spiels besonders innewohnt.
• Kooperationsspiele: Kooperationsspiele bilden den komplementaren Part zuKonkurrenzspielen. Sie betonen das gemeinsame Spielerlebnis, bei dem alle einZiel haben und gemeinsam gewinnen. Damit werden vor allem Kooperations-und Solidaritatsfahigkeit gefordert. Kritisiert wird hier die fehlende Spannung.
• Psychomotorische Spiele: Hierunter versteht man vor allem Geschicklichkeits-spiele in einem physikalischen Kontext. Sie durchbrechen das alltagliche Unter-richtsgeschehen, da Bewegung die kognitive Komponente in den Hintergrundruckt. Ein klassisches Beispiel stellt das Schattenfangen dar.
• Glucksspiele: Bei Glucksspielen steht vor allem der Zufall im Vordergrund undermoglicht es auch schwacheren Schulern einmal auf der Gewinnerseite zu stehen.Beispiele hierfur sind das Munzenwerfen oder Wurfelspiele.
• Konstruktionsspiele: Bei Konstruktionsspielen geht es in erster Linie um techni-sches Verstandnis. Neben der Funktionsfahigkeit des Konstruierten konnen aberauch zum Beispiel Originalitat, Umweltvertraglichkeit und Kosten der verwen-deten Materialien berucksichtigt werden. Ein Beispiel ist die Konstruktion vonFluggeraten, die von einfachen Papierfliegern zu Heißluftballonen und Raketenreichen konnen.
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4. Didaktische Umsetzung
• Logikratsel : Logikratsel als solche tauchen in der fachdidaktischen Literatur bis-her nicht auf, erscheinen uns aber ebenfalls sehr geeignet. Logikratsel in Formvon EscapeRoom Spielen erfreuen sich beispielsweise großer Beliebtheit undscheinen somit ein hohes Motivationspotenzial zu haben. Das Losen eines Pro-blems mit verschiedenen Hinweisen, wie es in solchen Spielen erfolgt, kann didak-tisch als Scaffolding betrachtet werden und zum Verstandnis komplexer Prozessebeitragen, wahrend gleichzeitig Problemlosestrategien trainiert werden.
• Computerspiele: Lernspiele am Computer sind Teil einer rasanten Entwicklungim Bereich der Computertechnologie. Sie ermoglichen Visualisierungen und Ex-perimente in einer virtuellen Welt, die im Klassenraum so gar nicht moglich sindund konnen aufgrund ihrer Modernitat als Medium besonders motivierend aufSchuler wirken. Problematisch ist hier vor allem die mangelhafte Ausstattungvieler Schulen.
4.1.3. Kontextorientierung und Problemorientierung
Kontextorientierung und Problemorientierung sind zwei grundlegende Konzepte inder Physikdidaktik. Ihr Ziel ist es in erster Linie, die Schuler zu aktivieren und denUnterricht an ihnen auszurichten. Damit richten sie sich an der konstruktivistischenAuffassung von Lernen aus, nach der Inhalte den Schulern nicht einfach beigebrachtwerden konnen, sondern von diesen als aktiven Konstrukteuren ihrer eigenen Wirklich-keit angeeignet werden (Maier, 2012, S. 123). Beide Ansatze dienen also dem Zweck,die Lernziele im Bereich Fachwissen zu erreichen.
Wird dekontextualisiert unterrichtet, so bleibt das Interesse der Schuler meist un-geweckt. Sie werden nicht aktiviert und die wenn uberhaupt konstruierten Konzeptesind in ihrer synthetischen Wirklichkeit kaum verknupft und damit nicht anwendbar(Duit und Mikelskis-Seifert, 2012, S. 22). Diese Beobachtung machte auch schon Mu-ckenfuß (2006) und pragte den Begriff des
”sinnstiftenden Kontexts“, der sich auch als
didaktischer Grundpfeiler im rheinland-pfalzischen Lehrplan findet (MBWWK RLP,2014), als Losung. Unter diesem sind Alltagskontexte aus der Lebenswelt der Schuler,Kontexte gesellschaftlicher Bedeutung sowie Kontexte von Forschungsrelevanz zu ver-stehen (Nerdel, 2017, S. 155). Mochte man diese unterrichten, so bieten sich dafurgrundsatzlich zwei Moglichkeiten an. Die erste ist das fachlich orientierte Lernen miteingebetteten Alltagsbezugen, bei der sich der Unterricht weiterhin an der physika-lischen Fachsystematik ausrichtet, welche jedoch durch verschiedene Alltagsbezugeveranschaulicht wird. Beim Lernen anhand authentischer Kontexte bildet dagegender Kontext den Ausgangspunkt, an dem sich auch die behandelten physikalischenInhalte ausrichten. Diese mussen dann nicht mehr der Fachsystematik entsprechen,konnen auf schon Behandeltes zuruckgreifen, noch nicht Behandeltes vorgreifen odersogar Fachergrenzen uberschreiten. Wahrend die erste Variante die Gefahr birgt sichnur vorgeblicher Kontexte zu bedienen und diese nach dem Unterrichtseinstieg aus denAugen zu verlieren, bringt die zweite Variante das Problem mit, dass die physikali-schen Konzepte vor dem Kontext in den Hintergrund treten und nicht als unabhangig
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4. Didaktische Umsetzung
anwendbar erlebt werden. Beide Varianten haben ihre Existenzberechtigung. Ihrenmoglichen Problemen lasst sich mit folgenden Leitlinien begegnen: Erstens sind dieKontexte so zu wahlen, dass sich einzelne physikalische Inhalte besonders in ihnen er-schließen. Zweitens ist das Vereinfachen der komplexen Kontexte durch Modellbildunggezielt zu thematisieren. Drittens wird aufgrund der Zeitintensivitat des kontextori-entierten Lernens exemplarisches Lernen gefordert. (vgl. Muller, 2006).
Betrachtet man die physikalische und unterrichtliche Seite der Problemorientie-rung, so wird neben ihrem Zweck fur die Realisierung der fachlichen Lernziele auchihre Relevanz fur die Lernziele im Bereich Erkenntnisgewinnung deutlich. So haben
”lebendig empfundene Probleme“ (Aebli, 1987, S. 277) nicht nur eine Motorfunkti-
on beim Lernen, sondern auch die Problembearbeitung in physikalischer Forschunglegt eine Auseinandersetzung mit allgemeinen Problemlosestrategien nahe. Zunachstunterscheidet Aebli (1987, S. 279) im Unterricht drei Arten von Problemen:
• Probleme mit Lucken: Die Schuler haben ein Bild der Wirklichkeit, das unver-bundene Stellen, Lucken, aufweist.
• Probleme mit Widerspruch: Eine Aussage oder ein Phanomen widerspricht demBild der Wirklichkeit der Schuler.
• Probleme mit unnotiger Kompliziertheit : Die Schuler haben ein Bild der Wirk-lichkeit, das unnotig kompliziert ist.
Damit Unterricht, der solche Probleme zu losen versucht, erfolgreich sein kann, werdeneine Reihe von Bedingungen an die Problemsituationen gestellt. Die Probleme solltenauthentisch und moglichst von personlicher Bedeutung sein. Des Weiteren sollten siebestehendes Wissen aktivieren und Problemlosestrategien aufzeigen. Schließlich solltedas neue Wissen aktiv angewendet und in bestehende Wissensstrukturen integriertwerden (Leisen, 2012, S. 82 ff.).
4.1.4. Die Arbeit mit gegenstandlichen Modellen
Bei gegenstandlichen Modellen in der Physik handelt es sich um Realisierungen theo-retischer Modelle. Ihnen kommt somit eine didaktische Hilfsfunktion zu, indem sieAbstraktes veranschaulichen. In Bezug auf die Lernziele, zu deren Umsetzung sie bei-tragen, konnen sie sowohl als Methode bei der Erkenntnisgewinnung wie auch in Bezugauf ihren fachlichen Gehalt unter Fachwissen verortet werden. Damit sie dem gerechtwerden, ist es wichtig, dass sie die Kriterien anschaulich, einfach, transparent undvertraut zu sein, erfullen. Grundsatzlich konnen drei Arten von gegenstandlichen Mo-dellen unterschieden werden (Kircher, 2009b, S. 743 ff.):
• Strukturmodelle: Sie bilden sehr große sowie sehr kleine Objekte wie zum Bei-spiel das Planetensystem der Sonne oder Kristallstrukturen ab und gehoren zurKlasse der Analogmodelle. Ein entscheidendes Charakteristikum ist hier die par-tielle Isomorphie. Die Modelle konnen die Realitat nicht vollkommen korrekt be-schreiben, doch beruhen ihre Annahmen auf bewahrten naturwissenschaftlichenForschungsergebnissen.
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4. Didaktische Umsetzung
• Funktionsmodelle: Es handelt sich um zwei Systeme, die sich in der Art ihrer Ele-mente unterscheiden, in ihrer Funktion jedoch ubereinstimmen. Man betrachteeinen Stromkreis mit Relais oder Schalter als Beispiel.
• Gestaltahnliche Modelle: Sie besitzen Ahnlichkeit bezuglich Form und Ausse-hen wie zum Beispiel Schiffsmodelle. In Abgrenzung zu den Strukturmodellenliegen hier keine theoretischen Annahmen zu Grunde, sondern es besteht eineeindeutige Beziehung zwischen Modell und Original.
4.2. Gesamtkonzept des Lernparcours
Der außere Rahmen fur den Lernparcours wird durch seinen schulischen Zielkontextbestimmt. Dementsprechend ist er fur eine Klassengroße von etwa 25 Schulern ausge-legt. Der zeitliche Umfang ist so gewahlt, dass eine Durchfuhrung des Lernparcoursauch dort moglich ist, wo seine Themen nicht Teil des Lehrplans sind und richtet sichmit 90 Minuten an einer Doppelstunde aus. Da die Themen nicht zwingend Teil desLehrplans sind, erfordert der Parcours keinerlei Vorwissen auf diesem Gebiet. Dieserklart, warum er fur Schuler von der 9. bis zur 13. Klasse gleichermaßen geeignet ist.Der Grund, warum er dann nicht auch mit jungeren Schulern durchfuhrbar ist, liegtvor allem in der Voraussetzung einer Vielfalt an Problemlosestrategien und wissen-schaftlichen Arbeitsmethoden begrundet. Da der Parcours von funf Gruppen paralleldurchlaufen wird und viel Material enthalt, wird ein Raum benotigt, der die Großeeines normalen Klassenraums ubersteigt. Abbildung 4.1 zeigt den aufgebauten Ge-samtparcours und vermittelt so einen Eindruck von der benotigten Raumgroße.
Abbildung 4.1.: Aufgebauter Lernparcours
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4. Didaktische Umsetzung
Der gesamte Lernparcours ist in Form eines Gruppenkonkurrenzspiels realisiert. Indiesem treten funf Teams von je etwa funf Schulern gegeneinander an. Den Ausgangs-punkt des Spiels stellt eine Forschungsfrage, die Suche nach hochenergetischen Quellenin den Weiten des Universums, dar. Die Spielidee ist es, in einem der realen For-schung nachempfundenen Prozess, ein Experiment zu entwickeln, das Messdaten zurBeantwortung der Forschungsfrage liefern kann. Auf ihrem Weg von der Forschungs-frage zu einer ersten Messung durchlaufen die Teams zwolf Spielstationen, die demForschungsprozess von der Klarung der theoretischen Grundlagen, Vorexperimenten,Uberlegungen zum Messprozess und dem Detektorstandort bis hin zum Werben umFordermittel und schließlich dem Bau der Forschungsstation nachempfunden sind. Da-bei haben die einzelnen Teams ein Startkapital von drei Munzen und konnen an deneinzelnen Stationen jeweils Geld dazugewinnen oder auch ausgeben. Zusatzlich gibtes eine Deadline, im Spiel bei 70 Minuten nach Beginn festgelegt, zu der die Gruppenihr Experiment im Werben um Fordergelder prasentieren mussen und ein letztes MalGeld dazugewinnen konnen. Danach entscheidet sich, ob das Geld fur den Bau derForschungsstation ausreicht und wie viele Messungen mit dem ubrigen Geld an dervirtuellen Forschungsstation durchgefuhrt werden konnen. Je mehr Messungen sichdie Gruppen leisten konnen, desto mehr wertvolle Messdaten besitzen sie schließlicham Ende des Spiels.
Das ubergeordnete Konzept des Konkurrenzspiels, der Wettkampf um die bestenMessdaten, soll fur Spannung sorgen und so die Schuler motivieren. Die Vorteile, diekooperative Unterrichtsmethoden bringen, werden gleichzeitig dadurch gesichert, dassdie Schuler in Forscherteams zusammenarbeiten. Damit es zu einer echten Zusam-menarbeit kommen kann, muss positive Interdependenz herrschen. Dazu tragt einevorgegebene Aufgabenteilung bei. Die Schuler ziehen zu Beginn der DoppelstundeKonferenzschilder, deren Farbe sie einer Gruppe zuordnet und deren Titel ihnen ihreAufgabe innerhalb der Gruppe mitteilt. Damit wird ein Schuler zum Zeitmanager,der stets die Uhr und die Deadline im Auge behalt; einer zum Finanzchef, der dasGeld verwaltet; einer zum Vorleser, der seinen Mitschulern die Instruktion zur je-weiligen Station mitteilt; einer zum Reporter, der bei entsprechenden Stationen dieGruppenergebnisse an den Spielleiter weitergibt und einer zum Moderator, der daraufachtet, dass alle in der Gruppendiskussion zu Wort kommen und ein gemeinsamerStandpunkt gefunden wird. Fur den Fall, dass eine Klasse weniger als 25 Schuler hat,wird der Moderator herausgenommen und lediglich allgemein auf die Achtung vonGesprachsregeln innerhalb der Gruppe verwiesen. Hat eine Klasse mehr als 25 Schulergibt es zusatzlich den Aufgabenmanager, der auf eine an den einzelnen Spielstationenausgerichtete Aufgabenteilung sowie die Beteiligung aller Gruppenmitglieder bei de-ren Bearbeitung achtet. Dies fuhrt direkt zu dem zweiten Aspekt, der eine positiveInterdependenz fordert. Die meisten der einzelnen Spielstationen sind so konzipiert,dass sie nicht von einem einzelnen Gruppenmitglied gelost werden konnen. So gibt esan einer Station ein Uberangebot an Materialien, die kaum allein bewaltigt werdenkonnen, an einer anderen Station werden zugleich fleißige Leser, perspektivische Den-ker und gelenkige Sportler benotigt. Damit wird eine innere Differenzierung moglich,obwohl alle Spieler den gleichen Parcours durchlaufen. Auch die Wahl verschiedenerSpieltypen soll der Heterogenitat innerhalb einer Klasse Rechnung tragen. So konnen
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4. Didaktische Umsetzung
die technisch Interessierten in der Klasse eher bei Konstruktionsspielen glanzen, dieSportlichen am besten die Geschicklichkeitsspiele meistern und bei den Glucksspielenhat jeder die gleiche Chance, erfolgreich zu sein. Somit konnen bei den einzelnen Sta-tionen unterschiedliche Schuler spielentscheidend sein. Es sind eine Reihe an Kriterienfur echte Kooperation und das Entstehen eines Wir-Gefuhls erfullt.
Der Lernparcours verschreibt sich auch der Kontextorientierung, um deren positiveAuswirkungen auf das Interesse und die Aktivitat der Schuler sowie die Vernetzungvon Wissensstrukturen zu nutzen. Das IceCube-Experiment und die diesbezuglichgewahlte Fragestellung erfullen dabei das Merkmal der Forschungsrelevanz, um alssinnstiftender Kontext gelten zu konnen. Betrachtet man weiter die Leitlinien furgelungene Kontextorientierung, so ist es zutreffend, dass der gewahlte Kontext mitder Astroteilchenphysik, speziell der Neutrinoastronomie einen physikalischen Sach-verhalt besonders erschließt. Zudem werden, wie in der Elementarisierung beschrieben,eine Reihe Modellannahmen zur Vereinfachung des Kontextes gemacht und er stellt,als ein Detektor unter vielen, ein Paradebeispiel fur exemplarisches Lernen dar. DerLernparcours stellt die bewusste Entscheidung fur ein Lernen anhand authentischerKontexte, das nicht die Fachsystematik, sondern den Kontext als Ausgangspunkt unddauerhaften Begleiter ansieht, dar. Somit besteht nicht die Gefahr, dass der Kontextlediglich als vorgeblich empfunden wird und so seine positive Auswirkung auf Inter-esse und Aktivitat verliert. Dementsprechend sind die einzelnen Stationen nicht nurfachinhaltlich in diesen Kontext integriert, indem sie die einzelnen Schritte eines rea-len Forschungsprozesses nachempfinden. Auch einige Problemlosestrategien wie zumBeispiel das Nutzen von Analogien werden innerhalb des Kontextes als von Forschernangewandt motiviert. Vor allem aber der monetare Aspekt der einzelnen Stationen iststark am Kontext des realen Forschungsprozesses orientiert, indem zum Beispiel Expe-rimente Geld kosten oder um Fordergelder geworben werden muss. Gleichzeitig wirddie Fachsystematik aber auch nicht ganzlich in den Hintergrund gedrangt. Der ersteSchritt im Forschungsprozess, sich einen Uberblick uber die bisherigen physikalischenErkenntnisse zu verschaffen, der im Parcours zum Beispiel in der Auseinandersetzungmit dem Standardmodell realisiert ist, gibt der Fachsystematik Raum. Es wird explizitklar, dass es sich um Grundlagen handelt, wodurch das erworbene Wissen unabhangiganwendbar wird und somit der Gefahr eines rein kontextabhangigen Wissens begegnetwird.
Schließlich wird der Lernparcours auch vom Konzept der Problemorientierung ge-tragen. Dieses ist eng mit der Kontextorientierung verbunden, da ein sinnstiften-der Kontext dazu beitragt, dass ein Problem als lebendig empfunden wird und souberhaupt seine Motorfunktion wahrnehmen kann. Die Forschungsfrage, auf der derLernparcours aufbaut, stellt dabei ein sehr bildliches Problem mit Lucke dar. Die Su-che nach hochenergetischen Quellen ist im Einfuhrungsvideo durch ein Fragezeichenzwischen vielen leuchtenden Punkten in einem Bild des Universums visualisiert. DieTatsache, dass es sich bei der Problemstellung um eine Forschungsfrage handelt, diesich auch die Physiker des IceCube-Experimentes stellen, verleiht ihr ihre Authenti-zitat. Jedoch braucht eine erfolgreiche Problemorientierung mehr als ein adaquatesProblem. So ist es entscheidend, dass der Lernparcours bei der Losung des Problems
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4. Didaktische Umsetzung
immer wieder bestehendes Wissen aktiviert. Das geschieht trotz der Neuheit der Astro-teilchenphysik an jeder einzelnen Station, indem mit Analogien, bekannten Modellvor-stellungen sowie Basiskonzepten gearbeitet wird. Diese helfen auch das neue Wissen inbestehende Wissensstrukturen zu integrieren. Der Lernparcours ist so konzipiert, dassdas neu erworbene Wissen an verschiedenen Stellen immer wieder angewendet wird.So ist zum Beispiel das an der ersten Station entwickelte Standardmodell portabel ge-staltet, da die Systematik zur Problemlosung an drei weiteren Stationen benotigt wird.Des Weiteren sind bei der Lernproduktgestaltung fur das Werben um Fordergelder al-le bisherigen Ergebnisse zusammenzufassen. Zwar werden Problemlosestrategien, auchaufgrund der Neuheit und damit der Konzentration auf die Inhalte, nicht explizit the-matisiert, doch werden sie von den Schulern vielfaltig angewendet. Dies liegt in denverschiedenen Problemarten und Spielkonzepten der einzelnen Stationen begrundetund wird durch die jeweiligen Instruktionen mitgesteuert. Der Lernparcours erfulltalso die Bedingungen an einen problemorientierten Unterricht und ist so in der La-ge, kognitive Konflikte bei den Schulern zu erzeugen, die diese zur Problemlosungaktivieren.
Schließlich ist der Lernparcours so konzipiert, dass er von einem beliebigen Spiel-leiter zum Beispiel einer Lehrkraft durchgefuhrt werden kann, was ihn unabhangigeinsetzbar macht. Ein entscheidendes Element dabei ist die Aufgabensteuerung. DerSpielleiter gibt wahrend des Stationenlernens keinerlei Instruktionen. Die Schuler er-halten die notwendigen Informationen beziehungsweise Aufgabenstellungen durch diebei jeder Station beiliegenden Instruktionskarte (Anhang A.1), die den Gruppenmit-gliedern vom Vorleser vorgetragen wird. Die Stationsergebnisse sind entweder selbst-erklarend wie zum Beispiel bei der Minigolfstation, sodass kein Eingreifen des Spiellei-ters erforderlich ist oder der dem Spielleiter vorliegende Auswertungsbogen (AnhangA.2) gibt ein klar definiertes Bewertungsschema vor. Die thematische Einfuhrung wirddem Spielleiter von einem kurzen Video abgenommen sowie auch die Vorstellung desgroben Spielablaufes. Lediglich Begrußung, einige organisatorische Punkte sowie dieErlauterung der Gruppeneinteilung liegen beim Spielleiter. Dafur steht ihm jedoch ei-ne stichpunktartige Anfangsinstruktion (Anhang A.2) als Orientierung zur Verfugung.Als Vorbereitung auf den Lernparcours hat der Spielleiter eine Anleitung (AnhangA.3). Diese enthalt zu jeder Station eine knappe Einfuhrung in die physikalischen In-halte, eine Materialliste mit bildlich unterstutztem Aufbauplan, den Ablauf der jewei-ligen Station sowie ihre Bewertung in Munzen und schließlich eine grobe Zeitangabe.
4.3. Stationen des Lernparcours
Im Folgenden werden die zwolf Stationen des Lernparcours naher erlautert. Es geht vorallem darum, das Ziel der jeweiligen Station zu benennen und ihre konkrete Ausgestal-tung didaktisch-methodisch zu begrunden. Das Ziel wird dabei in erster Linie in Bezugauf das Fachwissen und den jeweiligen erkenntnistheoretischen Schritt des Forschungs-prozesses dargelegt, wohingegen Kommunikation und Kooperationsfahigkeit nicht ex-plizit benannt werden, da sie durch die ubergeordnete Gruppenmethode fortwahrendgefordert werden. Alle Spiele, auf deren Charakter nicht naher eingegangen wird, sindim Rahmen des ubergeordneten Wettkampfspieles zwischen den Gruppen zu sehen.
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4. Didaktische Umsetzung
4.3.1. Einfuhrungsvideo
Ziel des Einfuhrungsvideos ist in erster Linie, die Forschungsfrage zu motivieren undihr einen Kontext zu geben. Des Weiteren sollen die Schuler kurz uber den Ablauf desSpiels und die zugrunde liegenden Regeln informiert werden.
Der Vorteil, den das Medium des Videos zum Erreichen dieses Ziels bietet, istdie dauerhafte Verknupfung von Text und visueller Unterstutzung, wie sie in denAbbildungen 4.2 und 4.3 beispielhaft dargestellt ist. Diese ist besonders in diesemKontext notwendig, da das Thema der Astroteilchenphysik fur die Schuler in der Regelganzlich neu ist und sie wenige Vorstellungen und Erfahrungen dazu aus dem Alltagmitbringen. Im Vergleich zu einem Text, wird den Schulern zudem das Herausfilternder wichtigsten Informationen durch die Visualisierung erleichtert. Schließlich wird einVideo von Schulern im Allgemeinen auch als motivierender als ein Text empfunden.Ein weiterer fur die Durchfuhrungspraxis entscheidender Grund ist, dass das Videoim Gegensatz zu einem kurzen visuell unterstutzten Lehrervortrag unabhangig vomSpielleiter ist. Der Lernparcours kann demnach von jedem durchgefuhrt werden, ohnedas ein spezielles Fachwissen auf dem Gebiet der Astroteilchenphysik oder eine langeVorbereitung vorausgesetzt werden.
Das Video, dessen Wortlaut Anhang A.4 entnommen werden kann, versucht dabeivor allem durch Kontext- und Problemorientierung, die Schuler zu motivieren. Essetzt einen ersten Kontext allgemein mit der Faszination Universum, indem es dieJahrtausend lange Geschichte seiner Erforschung kurz abreißt. Der Abschnitt endetmit dem Hinweis, dass das Universum auch heute noch viele Ratsel aufgibt, worinschon das Problem mit Lucken anklingt. Konkret wird dann die Unbestimmtheit hoch-energetischer Quellen als Problemstellung angefuhrt und auch im Video als zentraleFragestellung hervorgehoben. Damit diese geklart werden kann, beschreibt das Videoin graphischer Anlehnung an das Sender-Empfangermodell, wie wir Informationenaus dem Weltall erhalten und unterscheidet dabei verschiedene Strahlungsarten, dieuns verschiedene Informationen liefern. Dafur wird mit der Sonne ein den Schulern
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4. Didaktische Umsetzung
bekannter Himmelskorper und damit sinnstiftender Kontext gewahlt. Das Video be-schrankt sich auf zwei Strahlungsarten und von ihnen ubermittelte Informationen alsBeispiel, da sie, außer dem sichtbaren Licht, fur die Schuler in der Regel Neuland dar-stellen und dieses nicht von der eigentlichen Problemstellung ablenken soll. Es wirdsich dabei neben sichtbarem Licht fur Infrarotstrahlung und ihre Temperaturinforma-tion entschieden. Dies bietet sich an, da sich dort ein Alltagsbezug fur die Schulerherstellen lasst. Das von Infrarotdetektoren erstellte Warmebild der Sonne ist nichtsanderes als das mit einer Warmebildkamera aufgenommene Bild zum Beispiel einesHauses, wie es Schulern aus Schulbuchern zum Thema Energie bekannt ist und hiergraphisch wieder aufgegriffen wird. Zwar stellen auch Rontgenbilder einen geeignetenLebensweltbezug fur Schuler dar, doch hinkt hier die Analogie im Messvorgang, dadas Messgerat nicht nur Empfanger, sondern auch Sender der Rontgenstrahlung ist,weshalb sich schließlich fur das Beispiel der Infrarotstrahlung entschieden wurde. Ei-ne weitere Art der Informationsubermittlung sind Teilchen, die von Quellen wie derSonne ausgesandt werden und Informationen wie zum Beispiel uber die Kernfusion imInneren der Sonne liefern. Hier fehlt es an einem geeigneten Alltagsbeispiel und einegraphisch schematisch Darstellung sowie der Kontext Sonne mussen zur Illustrationgenugen.
Nachdem die Informationsgewinnung aus dem Universum erlautert ist, kann nundas Problem der mangelnden Information uber hochenergetische Quellen begrundetwerden. Gerade die Strahlungsart, die Informationen daruber tragen wurde, wirdnamlich absorbiert. Hier wird, wie es gelungene Problemorientierung fordert, beste-hendes Wissen der Schuler uber die Absorption aktiviert und auf das neu gewonneneWissen uber die verschiedenen Strahlungsarten angewandt. Das Resultat ist, dass dieErde nur sichtbares Licht der hochenergetischen Quellen erreicht und sie somit genausoaussehen wie normale Sterne. Das Fragezeichen im Himmel voller Sterne unterstreichtan dieser Stelle nochmals das Problem mit Lucken. Im Rahmen der Problemorientie-rung sollten Probleme immer auch mit Problemlosestrategien verknupft sein. Genaudahin leitet die Frage nach geeigneten Botenteilchen als Informationstrager mit dendrei Bedingungen, die an sie gestellt werden uber. Die drei Bedingungen vereinfachendabei die Kompliziertheit des Problems und gliedern den fur die Schuler folgendenForschungsprozess vor.
In diesen werden die Schuler daraufhin eingefuhrt, indem ihnen die einzelnen For-schungsetappen, die sie in Teams absolvieren werden, vorgestellt werden. Zudem wirdihnen der Wettkampfcharakter durch das Geld als Punktesystem sowie der Deadlinenach 70 Minuten veranschaulicht. Dann endet das Einfuhrungsvideo und der Spiellei-ter nimmt die Gruppeneinteilung sowie die Aufgabenverteilung innerhalb der Gruppevor, indem er die Schuler die vorbereiteten Konferenzschilder ziehen lasst und derenBedeutung erlautert. Nachdem der Spielleitertisch ausgewiesen und den Gruppen ihreAnfangsstation zugewiesen ist, beginnt das Spiel.
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4. Didaktische Umsetzung
4.3.2. Welche kleinsten Teilchen gibt es eigentlich?
An der ersten Station sind dabei zunachst die Elementarteilchen in einer sinnvol-len Systematik anzuordnen. Das Ziel dieser Aufgabe ist es, dass die Schuler einenUberblick uber die kleinsten Teilchen und ihre Eigenschaften bekommen. Dieser istnotwendig, um spater anhand der Teilcheneigenschaften ein geeignetes Botenteilchen,welches entweder eines der Elementarteilchen ist oder aus diesen zusammengesetztwird, auszuwahlen. Außerdem handelt es sich bei dem Standardmodell um den Kernder Teilchenphysik. Um den Schulern einen adaquaten Einblick in dieses Themenge-biet zu geben, kann man es nicht einfach außen vor lassen. Zudem steht zu Beginnjeglicher Forschung die Auseinandersetzung mit dem bisherigen Wissensstand auf die-sem Gebiet. Da auch der Forschungsprozess als solcher zentrales Lernziel ist, stellt dieKlarung der physikalischen Grundlagen einen entscheidenden Schritt darin dar.
Den Schulern begegnet an dieser Station ein Problem mit unnotiger Kompliziert-heit. Sie sind mit einer Vielzahl an zunachst unterschiedlich erscheinenden, ihnen wei-testgehend unbekannten Teilchen konfrontiert. Durch die Systematik, die die Schulerherstellen, wird vor allem die Unubersichtlichkeit, die die Teilchenvielfalt zunachstkompliziert erscheinen lasst, reduziert. Die Schuler sehen, dass es lediglich drei Ei-genschaften gibt, in denen sich die Teilchen unterscheiden und erkennen Gruppen, indenen die Teilchen mit ahnlichen Eigenschaften zusammengefasst werden konnen. ImIdealfall finden die Schuler dabei vier Gruppen, die in den ihnen moglichen Wechsel-wirkungen sowie ihrer elektrischen Ladung ubereinstimmen und innerhalb der Gruppenach ihrer Masse angeordnet sind. Die Anzahl der moglichen Wechselwirkungen ist imbesten Fall konsistent absteigend oder zunehmend. Doch auch wenn diese Ideallosungnicht gewahlt wird, vereinfacht sich schon mit jedem einzelnen Kriterium die Kom-pliziertheit und die Schuler konnen mit dem von ihnen konzipierten Standardmodelleinfacher arbeiten, als mit dem zuvor herrschenden Elementarteilchenchaos.
Der im Anfangsvideo etablierte Kontext wird weitergefuhrt, indem die Suche nachBotenteilchen fur hochenergetische Quellen in der Instruktion aufgegriffen wird unddie Auseinandersetzung mit dem Standardmodell als physikalische Grundlage im Sin-ne eines Uberblicks, welche kleinsten Teilchen es eigentlich gibt, als notwendige Vor-aussetzung zur Beantwortung der Frage begrundet wird. Damit soll die durch denauthentischen Kontext bedingte Motivation mit in die Aufgabe genommen werden.Die Verknupfung dieser Station mit dem Gesamtkontext wird auch im weiteren Ver-lauf deutlich, da das systematisierte Teilchenpuzzle zur Losung der beiden nachfol-genden Stationsaufgaben benotigt wird, weshalb es auch portabel gestaltet ist. Auchder Aspekt des Geldes wird gezielt kontextualisiert, da eine gelungene Ubersicht Geldbringt, weil sie
”von einem Verlag abgedruckt wird”. Die Ausrichtung des Geldbetra-
ges an der Anzahl erfullter Kriterien, soll den Schulern dabei nicht nur alle moglichenKriterien nochmals vor Augen fuhren, sondern auch zu Transparenz in der Bewertungund dadurch empfundener Gerechtigkeit fuhren.
Bei den in Abbildung 4.4 dargestellten Elementarteilchenpuzzleteilen, mit denendie Schuler ihre Systematisierung vornehmen, handelt es sich um ein Funktionsmodell.Seine Elemente sind Holzplattchen, die weder in Gestalt noch in Struktur Teilchen-
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4. Didaktische Umsetzung
Abbildung 4.4.: Teilchenpuzzle zum Standardmodell
modellen ahneln. Auf die Holzoberflachen aufgedruckt sind Name und Abkurzungder Teilchen sowie die ausgewahlten Teilcheneigenschaften Ladung und Masse. DenSchulern sind sowohl diese Eigenschaften als auch das Konzept von Teilchen an sichbekannt. Das Konzept der verschiedenen Wechselwirkungen ist fur Mittelstufenschulerdahingegen in aller Regel vollkommen neu. Im Vordergrund steht deswegen die Veran-schaulichung der Funktion, genauer gesagt der Starke der Wechselwirkung. Die einzel-nen Wechselwirkungsmoglichkeiten werden durch die Gestaltung der Kanten der Teil-chenplattchen dargestellt. Die Wahl des Kantenmaterials ist dabei an der Starke derjeweiligen Wechselwirkung orientiert. So wird die starke Wechselwirkung durch Puzz-leseiten reprasentiert. Einmal zusammengesteckt lassen sich die Quarks dann nichtmehr durch einfaches Ziehen voneinander trennen. Die elektromagnetische Wechsel-wirkung wird durch an einer Kante angebrachte Magnete veranschaulicht. Zwei Teil-chen, die elektromagnetisch wechselwirken, stoßen sich so entweder ab (gleichnamigeLadung) oder ziehen sich an (ungleichnamige Ladung). Mochte man zwei gleichna-mig geladene Teilchen wieder voneinander trennen, so ist etwas Kraft aufzuwenden.Die schwache Wechselwirkung wird schließlich durch Klettpunkte dargestellt, die inviergeteilten Mustern so angeordnet sind, dass jedes Teilchen, welches die Moglichkeitzur schwachen Wechselwirkung besitzt, an jedes andere geklettet werden kann. Zweizusammengeklettete Teilchen lassen sich dabei schon durch leichtes Ziehen vonein-ander trennen. Die explizite Benennung der einzelnen Wechselwirkungen erfolgt ineiner Legende (Anhang A.4), die auch die Ruhemasse und elektrische Ladung, vorallem deren Großenordnung naher erlautert. Durch Reduktion der abgedruckten Ei-genschaften und den Erklarungen auf der separaten Legende wird das Modell einfachund ubersichtlich, durch die Reprasentation der Wechselwirkungen mit Alltagsmate-rialien wird es anschaulich und vertraut. Das Elementarteilchenpuzzle erfullt somitKirchers Anforderungen an ein gutes Modell (Kircher, 2009a, S. 743). Die Schulerkonnen die verschiedenen Wechselwirkungsarten haptisch erfahren.
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4. Didaktische Umsetzung
4.3.3. Welche Teilchen konnen uns Informationen uber Quellen imWeltraum liefern?
Das nachste Zwischenziel ist es, ein geeignetes Botenteilchen zu finden, welches aufdem Weg von der Quelle zur Erde seine Richtungsinformation nicht verliert. Dennum die Position einer Quelle im Weltall bestimmen zu konnen, ist es wichtig, dassdie Botenteilchen die Erde ohne Ablenkung auf geradem Weg erreichen. Ein Hinder-nis dafur sind kosmische Magnetfelder. Die Schuler sollen die Ladung der Teilchenals entscheidende Eigenschaft erkennen und durch Uberlegungen dazu ein Teilchenfinden, welches diese Magnetfelder ohne Ablenkung passieren kann. Zudem soll denSchulern bewusst werden, dass auch kleinere Vorexperimente Teil der Entwicklungeines Großexperimentes und somit wichtiger Teil des Forschungsprozesses sind.
Abbildung 4.5.: Magnetbrett - Gegenstandliches Modell zur Ablenkung geladener Teil-chen in kosmischen Magnetfeldern
Durch den Rahmen Weltraum sind die physikalischen Inhalte wie die Zusammenset-zung der Teilchen der kosmischen Strahlung aus Elementarteilchen sowie der Zusam-menhang von elektrischer Ladung und Magnetfeldern in einen aktivierenden Kontexteingebettet. Auch der Kontext des realen Forschungsprozesses wird durch die Expe-rimentierkosten aufrecht erhalten. Um nun die Ablenkung von geladenen Teilchen inMagnetfeldern und den Nachteil dieses Effektes zu veranschaulichen und gleichzeitigdie Wahl des Neutrinos als Botenteilchens zu motivieren, liegt ein Funktionsmodellvor. Das Magnetbrett und die zugehorigen Teilchen der kosmischen Strahlung sind inAbbildung 4.5 zu sehen. Es handelt sich bei dem Magnetbrett um eine schiefe Ebeneaus Holz, die in Weltraumoptik gestaltet ist. Zudem befindet sich im oberen Bereichin der Mitte ein roter Startpunkt und im unteren Bereich eine schematische Darstel-lung der Erde sowie eine rot gekennzeichnete Kuhle. In das Brett eingelassen sindfur die Schuler unsichtbare Permanentmagnete, die den nicht kartierten kosmischenMagnetfeldern entsprechen.
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4. Didaktische Umsetzung
Die Teilchen der kosmischen Strahlung werden durch Kugeln symbolisiert. Die gela-denen Teilchen sind dabei Stahlkugeln, das Neutrino eine Murmel, wobei alle Kugelndurch Bespruhen mit Metallfarbe die gleiche Optik besitzen. Ihr Gewicht entsprichtnicht den tatsachlichen Massenverhaltnissen, stimmt jedoch zumindest in Großer-Kleinerverhaltnissen. Die Große der Kugeln ist willkurlich und korreliert nicht mitderen Ruhemasse, da die Teilchen eigentlich als punktformig angenommen werdensollten und so eine Fehlvorstellung der Verbindung von Große und Masse verhindertwerden soll. Die Kugeln ruhen auf einer Leiste und sind sowohl mit ihrem Teilchenna-men als auch ihrer Zusammensetzung aus den Elementarteilchen beschriftet, sodassdie Schuler deren Ladung aus dem Standardmodell der vorangegangenen Station re-konstruieren konnen.
Schließlich haben die Schuler die Aufgabe, eines der Teilchen auszuwahlen und aufdem roten Startpunkt des Magnetbrettes zu platzieren. Wahlen sie das ungeladeneNeutrino, so gelangt es ohne Ablenkung in die rote Kuhle auf der schematischen Erde,behalt also auf seinem Weg durch das Universum die Richtungsinformation der Quelle.Wahlen sie ein geladenes Teilchen, so wird es mehrfach von den eingelassenen Magne-ten, den kosmischen Magnetfeldern, abgelenkt und kann aufgrund eines sehr starkenMagneten unmittelbar vor der roten Kuhle diese niemals treffen. Da oft weder Bodennoch Tische in Schulen wirklich eben sind, besitzen die Magnetbretter verstellbareFuße, die so einzustellen sind, dass die
’Neutrinokugel‘ vom Startpunkt aus die rote
Kuhle trifft. Durch die Darstellung als gegenstandliches Modell konnen die Schulerdie Probleme, die Astrophysiker bei der Lokalisierung hochenergetischer Quellen mitkosmischer Strahlung haben, selbst erfahren.
4.3.4. Das fast unaufhaltbare Neutrino
Das Ziel dieser Station ist es, die Schuler zu einer Interpretation der Teilcheneigen-schaft Wechselwirkung in Bezug auf die Messbarkeit zu motivieren. Gleichzeitig sollendie Schuler ein Gefuhl fur die damit in Zusammenhang stehenden Großenordnungendes Durchdringungsvermogens bekommen. Im Rahmen des Forschungsprozesses sollendie Schuler die enge Verknupfung von Grundlagen und Anwendungswissen sowie dieNotwendigkeit mathematischer Kalkulationen erfahren.
Den Motor dieser Prozesse stellt dabei ein absichtlich geschaffenes Problem mitWiderspruch dar. Die Schuler erhalten neun Faktenkarten, wovon lediglich eine alsrichtig gekennzeichnet ist (Anhang A.4). Die anderen acht Faktenkarten sind, wie inAbbildung 4.6 dargestellt, auf dem vorgesehenen Spielplan in richtig und falsch zusortieren. Die einzelnen Faktenkarten sind dabei immer gleichen Aufbaus (vgl. Abbil-dung 4.6). Das betrachtete Teilchen sowie das Medium, in dem es betrachtet wird unddas dabei vorliegende durchschnittliche Durchdringungsvermogen sind untereinanderangefuhrt; darunter ist die angegebene Durchdringungstiefe mit Hilfe eines Bildes ver-anschaulicht. Die verschiedenen schwer vorstellbaren Großenordnungen sollen so inder Erfahrungswelt der Schuler mit bekannten Abstanden verknupft werden. Auf derRuckseite der Karten befinden sich acht unterschiedliche Zahlen. Diese dienen derstandardisierten Auswertung und sind fur die als richtig befundenen Karten aufsum-
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4. Didaktische Umsetzung
Abbildung 4.6.: Spielplan und Beispielfaktenkarte zum Durchdringungsvermogen
miert entsprechend dem Spielleiter mitzuteilen. Der Widerspruch liegt darin, dassjeweils zwei Faktenkarten das gleiche Teilchen und das gleiche Medium, jedoch unter-schiedliche Durchdringungstiefen angeben. Somit wird von den Schulern auch nichterwartet, die Großenordnungen als solche abschatzen zu konnen, sondern sie mussenlediglich entscheiden, ob zum Beispiel ein Proton in Wasser eine großere oder kleinereDurchdringungstiefe als ein Neutrino hat. Die Faktenkarten thematisieren die Teil-chen Neutrino, Myon und Proton in Wasser sowie fur das Neutrino auch die MedienLuft und Blei. Es sind also drei Teilchen gewahlt, die jeweils unterschiedlichen Wech-selwirkungskraften unterliegen und den Schulern im Kontext unseres Lernparcoursofter begegnen und somit vertraut sind. Die Medien unterscheiden sich offensichtlichin ihrer Dichte, wobei die Schuler auch ohne explizite Nennung der Dichte aus Alltags-erfahrungen einschatzen konnen, dass Luft leicht zu durchdringen ist, wohingegen Bleioft gezielt zur Abschirmung verwendet wird. Die entscheidenden Uberlegungen sindschließlich, dass ein Teilchen, je weniger und je schwacheren Wechselwirkungskraftenes unterliegt, es desto weiter kommt und dass seine Reichweite desto kurzer ist, jehoher die Dichte des Mediums ist. Damit kann es der Spielkategorie des Logikratselszugeordnet werden.
Die auf den einzelnen Faktenkarten angegebenen Durchdringungstiefen wurden aufder Grundlage von Abschnitt 2.4.1 berechnet. Die daraus resultierende Formel fur diemittlere Reichweite λ lautet wie folgt:
λ =1
σ · n (4.1)
Dabei gibt σ den Wirkungsquerschnitt des Teilchens und n die Teilchenzahldichtedes Mediums an. Es werden die Wirkungsquerschnitte fur Teilchenenergien von 1TeVbetrachtet, wie sie am IceCube-Detektor haufig gemessen werden und in Tabelle 4.1fur die Wechselwirkung mit einem Nukleon aufgefuhrt sind (vgl. Aartsen 2017, S. 597,Butkevich und Mikheev 2002, S. 23, Abreu et al. 2012, S. 109).
Tabelle 4.1.: Wirkungsquerschnitte fur Energien von 1 TeV
Wahrend Neutrino und Proton bei der Wechselwirkung einen Teilchenschauer erzeu-gen und danach selbst nicht mehr existieren, ist der beim Myon uberwiegende Prozessdie Bremsstrahlung. Es strahlt im Feld des Kerns ein hochenergetisches Gammaquantab und fliegt dann weiter. Aus diesem Grund wird fur das Myon anstelle seines Wir-kungsquerschnittes sein Energieverlust betrachtet, woraus sich eine Durchdringungs-tiefe von 2, 2km bei einer angenommenen Dichte von Wasser ergibt - also viel weiterals sich aus dem Wirkungsquerschnitt ergibt (Boser, 2002, S. 26).
Um die Teilchenzahl n zu bestimmen, gilt es die Dichte ρ des jeweiligen Mediumsdurch die Nukleonmasse, wofur hier aufgrund ihrer Ahnlichkeit die Protonmasse mp =1, 672 · 10−27kg angenommen wird, zu dividieren:
n =ρ
mp(4.2)
Aus den in Tabelle 4.2 angegebenen Dichten (vgl. Braun, 2008, S. 141 ff.), ergebensich so Teilchenzahldichten, die auch in Tabelle 4.2 aufgefuhrt sind.
Tabelle 4.2.: Dichte und Teilchenzahldichte der Medien bei 25◦C und Normaldruck
Setzt man schließlich Wirkungsquerschnitt σ und Teilchenzahl n in Gleichung 4.1 ein,so erhalt man die mittlere Reichweite, wobei der fur das Myon in Wasser angegebeneWert, wie oben erlautert, aus der Bremsstrahlung resultiert. Tabelle 4.3 zeigt dies,in den Einheiten, wie sie auch auf den Faktenkarten zu finden sind. Dabei sind mitMeter und Kilometer zwei Großen gewahlt, wie sie den Schulern aus dem Alltag be-kannt sind und wovon sie sich gestutzt durch die Abstandsvergleiche eine Vorstellungmachen konnen. Auf die Faktenkarten und dementsprechend auch Angaben zu Myonund Proton in Luft und Blei wurde Zwecks Ubersichtlichkeit und Dauer der Stationverzichtet. Zudem wurden sie auch nicht zu einer Erhohung des Lernertrags beitragen,da die grundlegenden Uberlegungen zu den Auswirkungen der Wechselwirkungsartenund der Dichte schon durch die anderen Faktenkarten ausgeschopft sind.Neben dem allgemeinen Wettkampfspielcharakter wird hier die Kooperation inner-halb der Gruppe besonders gefordert, da ein einzelner Spieler nicht alle Faktenkartengleichzeitig uberblicken kann. Die Aufgabe impliziert, dass sich vier Spieler jeweilseine Kartenpaarung betrachten und ein funfter die notwendigen Informationen ausdem Standardmodell abliest. Eine solche Aufgabenteilung vorzunehmen, fallt dabeivor allem in den Kompetenzbereich des Aufgabenmanagers.
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4. Didaktische Umsetzung
Neutrino Myon Proton
Luft 2.525.000.000 kmWasser 3.050.000 km 2, 2 km 1, 68 mBlei 268.000 km
Tabelle 4.3.: Mittlere Reichweite ausgewahlter Teilchen in charakteristischen Medien
4.3.5. Warum werden trotzdem Neutrinos von der Erde absorbiert?
Bei der letzten Station haben die Schuler erfahren, dass Neutrinos sehr selten mit Ma-terie wechselwirken. Vor dem Hintergrund dieses immensen Durchdringungsvermogenseines Neutrinos scheint es unmoglich, dass ein Neutrino mit der Erde wechselwirkt.Dennoch gibt es Experimente, die Neutrinos durch ihre Wechselwirkung auf der Erdenachweisen. Fur die Schuler ergibt sich dadurch ein Problem mit Widerspruch, dassie in der Station losen, um dem Ziel, die Botenteilchen auf der Erde zu messen, einenSchritt naher zu kommen. Sie erfahren dabei, dass der Vorteil des Neutrinos, seinegeringe Wechselwirkungsrate, gleichzeitig ein Nachteil sein kann.
Abbildung 4.7.: Materiemodell zur Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
Um die statistische Moglichkeit einer Wechselwirkung trotz geringer Wechselwirkungs-rate aufgrund des hohen Neutrinoflusses zu veranschaulichen, wurde ein Struktur-modell des Aufbaus von Materie gebaut, durch das die Neutrinos fliegen. Das Ma-teriemodell besteht aus auf Nylonfaden gezogenen Fingerhuten, die in drei Ebenenubereinander und in drei Reihen nebeneinander aufgespannt sind, wie in Abbildung4.7 dargestellt. Die Fingerhute stellen dabei die Atomkerne des Materials dar und be-finden sich aufgrund des Großenverhaltnisses von Atomschale und –kern in zwar nicht
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4. Didaktische Umsetzung
maßstabsgetreuem, aber noch großtmoglich praktisch umsetzbarem Abstand zuein-ander. Durch die gleichmaßige Verteilung auf drei Ebenen wird der dreidimensionaleCharakter deutlich und bietet Anschluss an kristalline Strukturen von Materie, die denSchulern am ehesten bekannt sein durften. Dies ist auch insofern gerechtfertigt, da dasEis des Detektors ebenfalls eine kristalline Struktur besitzt. Die Schuler bekommen imEinfuhrungstext die Information, dass der Aufbau dem atomaren Aufbau von Wassernachempfunden ist, das einen Großteil der Erdoberflache bedeckt. Wie im AbschnittElementarisierung begrundet, wird dabei auf eine Darstellung der Hullenelektronenverzichtet. Dies ware auch aus praktischen Grunden schwer umsetzbar gewesen, ers-tens aufgrund der Großenverhaltnisse und zweitens, da die Elektronenbahnen schwerdreidimensional modellierbar sind. Zudem ware ein Modell mit expliziten e−-Bahnennicht anschlussfahig fur den Unterricht zur Quantenmechanik, da dort Elektronen-wolken betrachtet werden. Am Modell ist eine Legende angebracht, die auf die nichtmaßstabsgetreue Abbildung und die nicht dargestellten Elektronen hinweist. Auf dieseWeise bietet das Modell auch Schulern Anschluss, die bereits uber vertiefte Kenntnisseuber den Aufbau von Materie verfugen und bleibt fur eine detaillierte Behandlung imFolgeunterricht anschlussfahig.
Die Neutrinos werden im Modell durch Styroporkugelchen dargestellt. Aus prak-tischen Grunden konnen die Neutrinos selbstverstandlich nicht punktformig sein unddeshalb nie im korrekten Großenverhaltnis zum Atomkern stehen. Es wurde dennochversucht, ein moglichst kleines und leichtes Material zu wahlen, was außerdem gunstigin großeren Mengen verfugbar ist. Um den Schulern direkt deutlich zu machen, dass dieStyroporkugelchen Neutrinos symbolisieren, ist der Eimer, der die Kugelchen enthalt,groß mit
”Neutrinos“ beschriftet.
Die Spieler versuchen, aus dem Stand mit ausgestrecktem Arm einzelne Styro-porkugelchen in die Fingerhute fallen zu lassen. Schnell werden sie feststellen, dassdies nahezu unmoglich ist, beziehungsweise viele Versuche notig waren. Dies verstarktdie Erkenntnis aus der vorangehenden Station, dass Neutrinos sehr selten mit Ma-terie wechselwirken. Trifft ein Schuler mit viel Gluck mit einem einzelnen Kugelchenden Atomkern, steht ihm laut Instruktion eine Gluckspilzmunze zu, da auch zu Ent-deckungen in der Physik manchmal etwas Gluck gehort. Das Spiel ist demnach einGlucksspiel, bei dem auch schwache Schuler Erfolg haben konnen. Anschließend wirdder Eimer Styroporkugelchen auf das Modell geschuttet. Auf diese Weise bleiben eini-ge Kugelchen in den Fingerhuten hangen, wobei der Großteil der
”Neutrinos“ dennoch
nicht mit Atomkernen”wechselwirkt“.
Die Schuler lernen, dass Kenntnisse uber andere Gebiete der Physik, wie beispiels-weise der Aufbau von Materie, zur Problemlosung in einem Forschungsprozess beitra-gen konnen. Sie erfahren außerdem, dass sich Experimente nicht perfekt realisierenlassen. So nehmen die Wissenschaftler in Kauf, dass nur ein Teil der Neutrinos mitdem Detektormaterial wechselwirkt.
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4. Didaktische Umsetzung
4.3.6. Wie genau wechselwirken unsere hochenergetischenBotenneutrinos mit Materie?
Die Schuler haben nun eine Vorstellung davon, dass Teilchen in Materie absorbiertwerden konnen und wissen, dass auch Neutrinos in seltenen Fallen wechselwirkenkonnen. Der Informationstext dieser Station stellt nun die Frage, was bei einer sol-chen Wechselwirkung passiert. Ziel des folgenden Spiels ist es also, die Wechselwirkungeines Neutrinos mit Materie und besonders die dabei entstehenden Sekundarteilchenzu veranschaulichen, da dieser Prozess eine Voraussetzung fur den Nachweis von Neu-trinos ist. Die Schuler konnen das bei einem Miniminigolfspiel, wie in Abbildung 4.8zu sehen ist, selbst herausfinden.
Abbildung 4.8.: Miniminigolf - Modell zur Wechselwirkung von Neutrinos in Eis
Unter einer Halbkugel mit einer schmalen Offnung auf der einen und einer breiterenOffnung auf der anderen Seite befinden sich mehrere Perlen. Schafft man es, mitdem Minigolfschlager, die
”Neutrinokugel“ durch die schmale Offnung zu schlagen,
trifft diese auf die anderen Kugeln, die wie beim Billard zerstreut aus der Halbkugelaustreten. Auf diese Weise wird die Entstehung von Schauern von Sekundarteilchenunter Beibehaltung der Richtungsinformation demonstriert. Zum Abschluss sortierendie Schuler die
”entstandenen“ Teilchen - die Perlen - in Dosen, die mit einem Bild der
Perle und dem Namen des Teilchens bedruckt sind. Sie erfahren so, welche Teilchen beider Wechselwirkung entstanden sind. An dieser Stelle wird auf das Standardmodell derersten Station zuruckgegriffen, da die Teilchen beziehungsweise ihre Komponenten vondieser Station bekannt sind. Die Schuler werden darauf hingewiesen, dass es sich umein Modell der Wechselwirkung der hochenergetischen Neutrinos mit Materie handelt,und dass es fur andere Energien auch weitere Prozesse geben kann. Das Modell bleibtso um andere Wechselwirkungsprozesse erweiterbar.
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4. Didaktische Umsetzung
Das Miniminigolf ist ein Geschicklichkeitsspiel, das neben der Veranschaulichungdes Sachverhaltes zum Ziel hat, Schuler die weniger Interesse an Physik haben,aber motorisch begabt sind, zu motivieren. Durch das aktive Ausprobieren und denUberraschungsmoment werden die Schuler aktiviert und die Lernfreude gesteigert, wo-durch ein nachhaltigeres Lernen moglich wird. Damit die Schuler lernen, dass Experi-mentieren in der Regel Geld kostet, muss die Gruppe pro drei Versuche, den Atomkernzu treffen, eine Munze abgeben.
4.3.7. Wie lassen sich die Sekundarteilchen messen?
Im nachsten Schritt lernen die Schuler, wie die in der vorherigen Station entstande-nen Sekundarteilchen uber den Cherenkov-Effekt nachgewiesen werden konnen. Daes sich beim Cherenkov-Effekt um ein komplexes und abstraktes Phanomen handelt,wird der Cherenkov-Effekt, wie im Abschnitt 3.3.3 Elementarisierung beschrieben, denSchulern uber eine Analogie nahegebracht. Im Sinne eines konstruktivistischen, lern-erzentrierten Lernprozesses soll diese Analogie den Schulern nicht direkt prasentiertwerden, sondern sie sollen sich diese selbst erschließen. Ein Lernziel dieser Stationstellt damit auch das Finden von Analogien als Problemlosestrategie dar. Im Einlei-tungstext der Instruktion wird die Strategie deshalb auch explizit genannt, wie Leisen(Leisen, 2011) zum Erlernen von Problemlosestrategien empfiehlt. Die Strategie wirdfur die Schuler dadurch motiviert, dass es eine Methode ist, die auch Wissenschaftleranwenden, wodurch sie in den Forschungsprozess eingeordnet werden kann.
Um ein Verstandnis der Analogie zu ermoglichen, sind Kenntnisse uber denCherenkov-Effekt und den Uberschallknall notwendig. Dazu wurde die Station als Me-diensammlung konzipiert. Die Schuler konnen aus verschiedenen Medien auswahlen,um die Analogie zu verstehen. Es stehen ein Video, ein Comic, mehrere Lexikonartikel,Grafiken und zwei Auszuge aus einem Schulbuch zur Verfugung (Anhang A.4). Der inAbbildung 4.9 dargestellte, im Rahmen dieser Masterarbeit entworfene Comic visua-lisiert den Uberschallknall und die dazu wichtigen Elemente besonders anschaulicher.
Abbildung 4.9.: Im Rahmen der Masterarbeit erstellter Comic zum Cherenkov-Effekt
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4. Didaktische Umsetzung
Die Schuler konnen aus den verschiedenen Materialien und Medien diejenigenauswahlen, die am besten zu ihrem Verstandnis beitragen. Da es audiovisuelle, visu-elle und textbasierte Medien gibt, werden unterschiedliche Lernertypen angesprochenund eine Binnendifferenzierung wird moglich. Besonders in Zusammenarbeit in derGruppe konnen sich die Schuler so alle notwendigen Informationen erschließen.
Trotz der zur Verfugung stehenden Materialien ist die Herstellung der Analogie einkomplexer Prozess, der eine Hilfestellung notig macht. Des Weiteren benotigt auchdiese Station eine Aufgabe, die von den Schulern zu erfullen ist und durch den Spiel-leiter uberpruft werden kann. Diese Aufgabe wurde in Form des in Abbildung 4.10gezeigten Zuordnungsspiels realisiert.
Schallkegel
Medium: Luft
Geschwindigkeit Flugzeug > Schallgeschwindigkeit in Luft
Abbildung 4.10.: Spielfeld zum Zuordnungsspiel zum Cherenkov-Effekt
Auf dem Spielfeld ist ein Kegel abgebildet, der sowohl einen Schall-, als auch einenLichtkegel darstellen kann. Der Kegel ist mit den zum Uberschallknall gehorendenFachvokabeln beschriftet. Neben jedem Wortfeld befindet sich ein leeres Feld, in dasdie Schuler den jeweils analogen Begriff zuordnen sollen. Die zuzuordnenden Begriffesind auf Kartchen abgedruckt. Die Kartchen und die leeren Felder sind jeweils mitKlettband versehen, sodass die Schuler den jeweiligen Begriff zum Cherenkov-Effektzu den analogen Begriffen des Uberschallknalls kletten konnen.
Diese Methode hat den Vorteil, dass die zuzuordnenden Begriffe bereits vorge-geben sind, wodurch die Aufgabe erleichtert wird. Dadurch, dass die Begriffe desUberschallknalls schon korrekt in die Skizze eingetragen sind, muss außerdem das Wis-sen uber den Uberschallknall nicht aktiv angewendet, sondern nur mit dem Cherenkov-Effekt verknupft werden. Ein praktischer Vorteil der Methode ist die Wiederverwend-barkeit des Materials. Das Festkletten der Begriffe am Spielplan ermoglicht, dass dieSchuler den Spielplan zum Spielleiter zur Kontrolle tragen konnen. Neben dem Trai-nieren der Problemlosestrategie durch eine Analogie wird durch die Station auch in be-sonderem Maße kommunikative Kompetenz gefordert, da die Schuler unterschiedlichefachbezogene Informationsquellen nutzen, Informationen auswahlen und sich daruberaustauschen.
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4. Didaktische Umsetzung
4.3.8. Wie erkenne ich die Myonen, die mich interessieren?
Wie in Abschnitt 3.3.3 beschrieben, folgt als nachstes die Unterscheidung nicht gesuch-ter Ereignisse, die im Fachjargon als Untergrund bezeichnet werden, von Ereignissen,die durch die gesuchten Botenteilchen hervorgerufen werden. Eine solche Interpreta-tion gemessener Daten stellt einen wichtigen Teil des Forschungsprozesses dar, dendie Schuler an dieser Station spielerisch erfahren. Der Begriff Untergrund ist hierbeiproblematisch und fur Schuler schwer zu verstehen, da die Frage, was Untergrundund was Daten sind, immer vom Forschungsziel abhangt. Um die Schuler nicht zuverwirren und um Fehlvorstellungen vorzubeugen, wird im Lernparcours nicht direktvom Untergrund gesprochen. Stattdessen lautet die Frage zur Station:
’Wie erkenne
ich die Teilchen, die mich interessieren¿. Auf diese Weise wird nicht ausgeschlossen,dass andere Teilchen fur andere Forscher interessant sein konnen.
Damit die Schuler in der Lage sind, die Daten zu interpretieren, mussen sie zunachstgeeignete Kriterien zur Auswahl erarbeiten. Dieser erste Teil der Station findet inForm eines Ratselspiels statt. Die Schuler erfahren aus dem Informationstext der In-struktionskarte, dass man aus dem zuvor kennengelernten Cherenkov-Kegel der Se-kundarteilchen Richtung und Energie der fur den Effekt verantwortlichen Teilchenbestimmen kann, und dass dies die entscheidenden Kriterien zum Erkennen der in-teressanten Teilchen sind. Sie mussen nun herausfinden, welche Richtung und Energiedie interessanten Teilchen haben.
Abbildung 4.11.: Scaffolding Pfeilsuche: Erdmodell mit Teilchenpfaden in 2D und 3D
Es stehen dazu zwei Materialien als Scaffolding zur Verfugung. Zum einen wurde dasin Abbildung 4.11 dargestellte Modell der Erde erstellt. Durch die Plastikkugel sindStabe gesteckt, die die Bahn der Teilchen symbolisieren. Dementsprechend ragen die
’Neutrinostabe‘ durch die Kugel hindurch, wahrend die
’Myonenstabe‘ nur einige Zen-
timeter in die Kugel hineinragen. Die Teilchen sind durch verschiedene Farben gekenn-zeichnet. Zum Modell gehort eine Legende, auf der beschrieben ist, welches Teilchenwelche Bahn nimmt und dass die Farben unterschiedliche Energiestufen symbolisieren(Anhang A.4). Das Modell bietet den Vorteil, die Bahnen der Teilchen dreidimen-
59
4. Didaktische Umsetzung
sional darzustellen, wodurch die Richtungsinformationen leichter vorstellbar werden.Gleichzeitig wird die Darstellung durch die Dreidimensionalitat und die verschiedenenBahnen und Energien kompliziert und unubersichtlich. Es wurde deshalb zusatzlichein zweidimensionales Modell in Form einer Graphik erstellt, das ebenfalls beispiel-haft die verschiedenen Teilchenpfade darstellt, wie in Abbildung 4.11 zu sehen ist. Eswurde dabei darauf geachtet, nicht nur senkrecht auf die Erdoberflache treffende Bah-nen einzuzeichnen, sondern auch schiefe, um Fehlvorstellungen von
’oben‘ und
’unten‘
vorzubeugen.
Abbildung 4.12.: Pfeilsuche: Plane als Darstellung des Detektors, Pfeile symbolisierenEreignisse mit Richtung und Energie (Farbe)
Die Hauptaufgabe der Station ist dem Spiel Twister nachempfunden und ist somitein psychomotorisches Spiel. Gemessene Ereignisse im Detektor sind auf einer 1m2
großen Plane mit Pfeilen dargestellt, wie in Abbildung 4.12 zu sehen ist. Ein Pfeilentspricht dabei nicht einem Lichtsensor, sondern einem durch Energie und Richtungnachgewiesenen Ereignis. Auf der Plane ist auch gekennzeichnet, in welcher Richtungsich die Erdoberflache befindet. Unterschiedliche Farben der Pfeile symbolisieren da-bei unterschiedliche Energien, die Richtung der Pfeile die Richtung der Teilchen imDetektor. Die Farben der Energien sind dabei die gleichen wie auf der Legende zumErdmodell angegeben. Mit Hilfe der im Ratselteil gewonnenen Informationen konnendie Schuler die Kastchen mit den richtigen Ereignissen auswahlen. Wenn die Gruppedie Kriterien richtig auf die Plane ubertragt, ist fur das Finden der
’richtigen‘ Pfeile
kein physikalisches Verstandnis notig, wodurch auch schwachere Schuler eingebundenwerden. Dies gilt auch fur den Auftrag, sich zu zweit mit Handen und Fußen so auf denFeldern mit den richtigen Ereignissen zu positionieren, dass die Korper einen Buch-staben ergeben. Dieser Buchstabe, der bei richtiger Losung ein M oder ein W ist, istder Spielleitung mitzuteilen und stellt so auch die Moglichkeit zur Uberprufung dar.
60
4. Didaktische Umsetzung
Der spielerische und auf Problemlosung ausgerichtete Charakter der Station erleichtertdas Verstandnis des Untergrundes und des Messprozesses, ohne den Begriff Untergrunddirekt einzufuhren. Das logische Auswahlen der
’interessanten‘ Daten ist eine wichtige
wissenschaftliche Arbeitsweise, in die die Schuler auf diese Weise Einblick bekommen.Eine zugige Losung der Station macht eine Zusammenarbeit der Gruppe mit Schulernunterschiedlicher Begabungen notwendig und fordert so die Entwicklung im Sinnedes kooperativen Lernens. Durch das Einbinden von Schulern, denen das Verstandnisphysikalischer Inhalte schwer fallt, werden auch diese Schuler motiviert und aktiviert.
4.3.9. Wo ist ein geeigneter Standort fur das Experiment?
Bei der Planung großer physikalischer Experimente spielen auch praktische Faktoren,wie Kosten und Große eine Rolle. Den Schulern einen Einblick in solche Abwagungenzu geben, ist Ziel der Station Standort. Gleichzeitig ist der Standort des IceCube-Detektors in der Antarktis ein spannender und vielleicht auch uberraschender Ort,wodurch Neugier und Interesse geweckt werden.
Ohne Scaffolding ware diese Aufgabe wahrscheinlich zu komplex und wurde auchkeine eindeutige Losung bieten, da es Neutrinodetektoren auch in Ozeanen gibt. DenSchulern stehen deshalb mogliche Orte zur Auswahl, die auf einer Weltkarte einge-zeichnet sind, wie auf Abbildung 4.13 dargestellt. Die roten Punkte kennzeichnen dabeidie moglichen Standorte. Es wurde dabei auf Orte in Meeren und Ozeanen verzichtet,da mehrere richtige Antwortmoglichkeiten verwirrend sein konnen.
Abbildung 4.13.: Weltkarte als Spielfeld zur Standortsuche
Der Vorteil der Weltkarte ist, dass die Schuler einen besseren Uberblick uber dieStandorte bekommen. Es wurde außerdem eine Weltkarte fur Kinder gewahlt, in derbeispielsweise die Antarktis in Eis, sowie Wusten und Berge grafisch dargestellt sind.Diese Visualisierungen helfen, die verschiedenen Orte mit den Gegebenheiten vor Ortzu verknupfen. Die Auswahl eines geeigneten Ortes soll auf Basis des bisher Gelern-ten erfolgen. Um dies zu unterstutzen, liegen um die Weltkarte herum verschiedene
61
4. Didaktische Umsetzung
Eigenschaftskarten, die das notige Detektormaterial beschreiben. Es gibt dabei aller-dings richtige und falsche Karten. Die Schuler mussen ihr Vorwissen aus dem Parcoursnutzen, um zu entscheiden, welche Eigenschaftskarten relevant und richtig sind undmit diesen einen geeigneten Standort fur den Detektor auswahlen. Zur Unterstutzungder Diskussion gibt es drei unterschiedlich farbige Spielfiguren. Die Schuler stellenzunachst Spielfiguren auf die Orte, die ihnen am geeignetsten erscheinen. Sie wagendann diese Orte gegeneinander ab und entscheiden so, auf welchen Ort sie die finale,rote Figur stellen, die den Ort ihres Detektors kennzeichnet. Zur Kontrolle teilen siedann dem Spielleiter den Buchstaben neben dem gewahlten Standort mit. Dabei er-halten die Schuler zwei Punkte, wenn sie die Antarktis auswahlen und einen Punkt,wenn sie einen Fluss auswahlen, da sie das Kriterium der Lichtdurchlassigkeit beachtethaben, nicht aber das Volumen. Der Auswertungsbogen des Spielleiters bietet vorbe-reitete Erklarungen zu falschen Orten, um den Schulern zu erklaren, warum der vonihnen gewahlte Ort nicht in Frage kommt.
Die Station dient der Wiederholung und Diskussion des Messprozesses und ver-knupft Physik mit wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Fragen. Durch die Eigen-schaftskarten kommen die Schuler miteinander ins Gesprach und reflektieren, wassie bisher uber den Detektor gelernt haben. Sie mussen dieses Gelernte dann an-wenden, um sich fur den geeigneten Standort zu entscheiden, wodurch das Gelerntevertieft wird. Es werden dabei außerdem kommunikative Kompetenzen trainiert, dasich die Schuler Sachverhalte gegenseitig erklaren und diskutieren. Es wird außerdemdie Kompetenz trainiert, aus verschiedenen Informationen die richtigen und relevantenauszuwahlen.
4.3.10. Wie kann der Bau finanziert werden?
Im Rahmen empirischer Forschungsarbeit ist auch die angemessene Prasentationvon Forschungsergebnissen essentiell. Eine Plakatprasentation ist außerdem eine guteMoglichkeit, Gelerntes zu wiederholen und ein Lernprodukt zu erstellen. Leisen (2011,S. 103) argumentiert, dass die Erstellung eines Lernproduktes und dessen Diskussionein wichtiger Schritt eines kompetenzorientierten Lernprozesses ist.
Die nachste Station des Parcours realisiert dies, indem die Schuler ein Poster aufGrundlage der vorherigen Stationen erstellen. Die zeitlichen Ressourcen lassen da-bei die Erstellung eines Posters inklusive der Texte nicht zu und auch aus Komple-xitatsgrunden ware dies schwer moglich. Es wurden deshalb Texte und Bilder erstellt,aus denen die Schuler auswahlen. Es gibt dazu prinzipiell verschiedene Moglichkeiten,wie eine digitale Erstellung in PowerPoint oder die Gestaltung eines Papierposters,auf das die Schuler Texte aufkleben. Eine digitale Erstellung hat den Nachteil, dasskaum mehr als ein Schuler gleichzeitig daran arbeiten kann und zudem aufwendigedigitale Ressourcen erforderlich waren. Zudem wurde das erstellte Poster dann auchnur digital vorliegen, wodurch die Schuler keinen authentischen Eindruck eines wis-senschaftlichen Posters gewinnen wurden. Das Aufkleben von Artikeln auf ein Posterhat deshalb viele Vorteile. Allerdings bietet diese Methode den Nachteil, nicht nach-haltig zu sein. Außerdem ist Kleben relativ zeitaufwendig und erlaubt keine Fehler.
62
4. Didaktische Umsetzung
Wir haben uns deshalb fur eine Magnetwand entschieden, wie in Abbildung 4.14 dar-gestellt, die etwa der Große eines A1 Posters entspricht. Jede Gruppe hat eine solcheMagnetwand, auf der vorgefertigte Posterteile mit Magnetstreifen auf der Ruckseitepositioniert werden.
Abbildung 4.14.: Teilweise fertig gestelltes Poster auf Magnetwand
Es stehen richtige und relevante, fehlerhafte und unnotige Materialien in Text, Bildund Graphikform zur Verfugung. So gibt es zum Beispiel ein Bild von Pinguinen, diein keinerlei Bezug zur Forschungsstation stehen und einen Artikel uber die geographi-schen Eigenschaften der Antarktis. In einem falschen Text wird von einem Teilchenbe-schleuniger am Nordpol berichtet. Alle richtigen Bilder, unwichtigen Bilder, richtigeTexte, unwichtige Texte und falsche Texte haben jeweils einen anders farbigen Hin-tergrund, damit der Spielleiter schnell erkennen kann, ob die Schuler richtig sortierthaben. Da die Farben gut zueinander passen und fur Bilder und Texte unterschiedlichsind, helfen die Farben den Schulern nicht bei der Auswahl. Alle Texte und Bildersowie eine genaue Erklarung zur Farbcodierung in der Anleitung fur den Spielleiterfinden sich in Anhang A.4.
Die Schuler haben die Aufgabe, die richtigen und relevanten Ausschnitte aus-zuwahlen und sinnvoll anzuordnen, wodurch sie aktiviert werden, uber das Gelernte zudiskutieren. Die Station fordert so die kommunikativen Kompetenzen: das Diskutierenuber Fachinhalte sowie das Auswahlen und Bewerten von Informationen. Durch dieAufgabe der sinnvollen Strukturierung und ansprechenden Gestaltung werden auchSchuler motiviert, deren Begabung eher im visuellen oder graphischen Bereich liegt.
63
4. Didaktische Umsetzung
4.3.11. Kann der Bau unter Extrembedingungen gelingen?
Ziel dieser Station ist es, den Lernparcours zu einem gemeinsamen Abschluss zu brin-gen und dabei durch ihren Bau symbolisch die entwickelte Forschungsstation zu vollen-den. Es steht zum Abschluss vor allem der Spaß im Vordergrund, der als bleibenderEindruck von der Astroteilchenphysik mitgenommen werden soll. Doch auch inhaltli-che Aspekte, die uber die Physik hinausgehen und sie, wie schon die Vorgangerstation,mit klimatischen und wirtschaftlichen Uberlegungen verknupfen, werden hier veran-schaulicht. Zudem beginnt sich das gesamte Wettkampfspiel zu schließen, da das imVerlauf des Forschungsprozesses gesammelte Geld nun zum Einsatz kommt.In Kombination mit der Standortsuche liegt hier ein Konstruktionsspiel vor. DieStandortsuche enthalt dabei die Abwagungen zu Material und Kosten; der Bau derForschungsstation bildet dann den eigentlichen Konstruktionsvorgang, der vor allemraumliches Vorstellungsvermogen und Geschicklichkeit erfordert. Den Schulern liegendabei 33 Legobauteile sowie eine schrittweise Bauanleitung (Anhang A.4) aus Vogel-perspektive sowie Frontalansicht vor. Die fertig zusammengebaute Forschungsstationist in Abbildung 4.15 zu sehen.
Abbildung 4.15.: IceCube-Station aus Lego
Auch hier ist der motivierende Kontext wiederum von besonderer Bedeutung. Die ex-tremen klimatischen Bedingungen werden veranschaulicht, indem wahrend des BausWinterausrustung in Form von Schal, Mutze und Handschuhen getragen werden. Dasvor allem in der Museumspadagogik sehr prominente Element des Verkleidens regtdabei die Vorstellungskraft an und tragt zur Authentizitat des Kontextes bei. Diesekonnte durch eine tatsachliche Forscherausrustung vom Sudpol noch um ein Vielfachesgesteigert werden, wobei hier die Kosten fur die funffache Anschaffung einer solchenein wesentliches Gegenargument darstellen. Neben der dauerhaften Kalte hat auch dieKurze des antarktischen Sommers von November bis Februar, in dem uberhaupt nurTageslicht zur Verfugung steht, entscheidenden Einfluss auf den Bau der Forschungs-station, da wahrend des antarktischen Winters entsprechend die Witterungsbedinun-gen zu extrem sind. Um diese Schwierigkeit nachzuempfinden, ist die Bauzeit auf funf
64
4. Didaktische Umsetzung
Minuten beschrankt. Kann diese nicht eingehalten werden, sind je zehn ubrig gebliebe-ner Teile Zusatzkosten von einer Munze zu tragen. Da der Bau einer Forschungsstationgrundsatzlich kostenintensiv ist, sind von jeder Gruppe schon zu Beginn des Baus dreiMunzen zu zahlen.
Die Station erhalt ihren Abschlussspielcharakter, indem die einzelnen Gruppenzeitgleich in einer Art Staffel gegeneinander antreten. Jeder Spieler hat dabei eineMinute, um in Winterausrustung an der Station zu bauen. Der Wechsel findet immeran einer etwa 10m entfernten Linie, in der Regel auf Hohe der Anfangsstation statt,sodass die Schuler auch nur solange die Anleitung studieren konnen, wahrend siean der Station arbeiten. Dass alle Schuler den Fortschritt der im Bau befindlichenStationen mitverfolgen konnen, sorgt dabei fur Spannung und Wettkampfstimmung.Nach Ablauf der funf Minuten ist das Spiel fur alle Schuler zeitgleich beendet.
4.3.12. Sind die Messungen mit dem Detektor erfolgreich?
Hat die Gruppe nach dem Bau der Station Munzen ubrig, kann sie fur in der Regeldrei Munzen eine Messung im virtuellen Detektor durchfuhren, wobei es sich um einComputerspiel handelt. Der Preis fur eine Messung kann jedoch auch individuell vomSpielleiter angepasst werden, um die Anzahl der Messungen zu steuern. Die Messungim virtuellen Detektor bietet fur die Schuler einen authentischen Kontextbezug, dagute Messergebnisse in der Regel das Ziel eines empirischen Forschungsprozesses sind.Die Schuler werden durch die Aufgabe, moglichst viele Ereignisse im Detektor zumessen, angespornt.
Abbildung 4.16.: Beispiel fur eine Instruktionskarte
Es wird dazu ein von der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Sebastian Boser am Institutfur Physik der Johannes Gutenberg-Universitat Mainz in Zusammenarbeit mit HerrnProf. Dr. Schomer vom Institut fur Informatik entwickeltes IceCube-Spiel verwendet.Das Spiel wird mit der VR Brille Oculus Rift und einem Oculus Controller gespielt.
65
4. Didaktische Umsetzung
Der Spieler sieht in der Virtual Reality zunachst die IceCube-Forschungsstation amSudpol von außen und fahrt dann mit einem imaginaren Aufzug tief in den Detek-tor hinein. Im Detektor sind die Lichtsensoren als Kugeln an langen Schnuren zusehen. Der Spieler kann dann verschiedene Ereignisse beobachten, indem die Kugelnaufleuchten und so die Bahn eines Teilchens anzeigen. Der Spieler muss anhand derForm und der Richtung der Ereignisse entscheiden, ob es sich um ein gesuchtes, hoch-energetisches Neutrino handelt, dessen Sekundarmyon eine Spur hinterlasst, oder umein Untergrundteilchen. Handelt es sich um ein gesuchtes Ereignis druckt er auf denController. Bei richtig getroffenen Ereignissen erhalt der Spieler Punkte, bei falschemDrucken wird seine Messzeit jeweils um 10 s verkurzt. Abbildung 4.16 zeigt die Ansichtdes Spielers in der Virtual Reality in der zweidimensionalen Desktopansicht.
Eine VR Brille als verhaltnismaßig neues digitales Medium kann fur technisch in-teressierte Schuler eine hohe Motivation sein. Durch das realistische dreidimensionaleErfahren wird der Detektor und eine Messung eher vorstellbar. Das Computerspielknupft dabei an die im Parcours kennengelernten Phanomene an, wie beispielsweisedas Aussehen des Detektors und die Richtung als entscheidendes Kriterium. Fur sichgenommen, ohne das Vorwissen aus dem Parcours, liefe man Gefahr, dass das Spielerfolgreich gespielt wird, ohne zu verstehen, was darin passiert.
4.4. Gestaltung des Textmaterials
Durch die starke Aufgabensteuerung und Schulerzentrierung des Lernparcours sindviele Texte notig, da der Großteil der Informationen und Aufgabenstellungen inschriftlicher Form erfolgt. Textkompetenz wird bei solchen Aufgabenformaten dem-nach gleichzeitig gefordert und vorausgesetzt (Thorid, 2012, S. 158). Textkompetenzbezeichnet dabei die
”individuelle Fahigkeit, Texte lesen, schreiben und zum Lernen
nutzen zu konnen“ (Portmann-Tselikas und Schmolzer-Eibinger, 2008, S. 5). Damitdie Schuler von der Text- und Informationsfulle nicht uberfordert sind, mussen dieTexte adressatengerecht und moglichst verstandlich sein. Wir orientieren uns dabeiunter anderem an Leisen (2008), der Kriterien zur sprachlichen Einfachheit aufstellt:
• kurze, gelaufige und anschauliche Worte
• Beispiele, Bilder, Abbildungen
• kurze und einfache Satze
• grammatisch einfache Satzkonstruktionen
• semantische Redundanz innerhalb einzelner Satze
Besonders beachtet wurden diese Kriterien bei der Erstellung des Einfuhrungsvideos,aber auch bei den Instruktionskarten und dem weiteren Textmaterial. An dieser Stellesei beispielsweise darauf verwiesen, dass im gesamten Textmaterial aus Konsistenz-grunden der Begriff Universum verwendet wird, welcher Begriffen wie Weltraum oder
66
4. Didaktische Umsetzung
Weltall bewusst vorgezogen wird, da der Begriff Universum nicht die Welt ins Zentrumsetzt. Weitere Hinweise zur Begriffswahl finden sich im Abschnitt Elementarisierung.
Ebenso wichtig ist auch eine gute Gestaltung und Ausarbeitung des Textmaterials.Girwidz (2009, S. 221) empfiehlt dazu, dass sich die inhaltliche Gliederung in derraumlichen Anordnung, Farbgebung und Symbolen widerspiegelt. Er gibt dazu vierKriterien an die Hand:
• Trennen von verschiedenen Aussagen durch Kastchen, Farbe, Nummerierung,raumlichen Abstand
• Verbinden von Zusammenhangen und Beziehungen durch Pfeile, Umrahmungenetc.
• Akzente setzen durch Unterstreichen, Schrift, Farbe
• Strukturieren durch aussagekraftige Uberschriften (roter Faden)
Besonders sichtbar ist die Umsetzung dieser Kriterien zur inhaltlichen und graphi-schen Gestaltung an den Instruktionskarten, wie in Abbildung 4.17 zu sehen ist. AlleInstruktionskarten sind gleich aufgebaut und gestaltet, sodass die Schuler die Informa-tionen schnell finden. Durch den Hintergrund unterscheidet sich die Instruktionskartevon anderen Materialien der Station und ist sofort als solche erkennbar.
Welche kleinsten Teilchen gibt es eigentlich?
Da uns Licht keine Informationen über hochenergetische Quellen liefert, sind wir auf der Suche nach geeigneten Botenteilchen. Wir betrachten deshalb zunächst alle kleinsten bekannten Teilchen, die sogenannten Elementarteilchen. Sie sind so klein, dass bisher keinerlei Ausdehnung gemessen werden konnte, weshalb sie als punktförmig angenommen werden.
An dieser Station findet ihr alle dieser Teilchen in Form von Puzzleteilen. Ihre Eigenschaften Ruhemasse und Ladung sind jeweils angegeben. Eine weitere Eigenschaft, die Art ihrer Wechselwirkung mit anderen Teilchen, ist in Form ihrer Kantengestaltung dargestellt. Welches Kantenmaterial dabei welcher Wechselwirkung entspricht, könnt ihr in der Legende nachschauen.
Die Teilchen befinden sich derzeit in einer willkürlichen und dadurch unübersichtlichen Anordnung, was das weitere Forschen mit ihnen erschwert. Ordnet die Teilchen nach euch sinnvoll erscheinenden Kriterien systematisch an.
Um auch anderen Wissenschaftlern mit eurer Systematik weiterzuhelfen, gebt ihr sie an einen Velag; hier den Spielleiter. Findet dieser eure Systematik sinnvoll und entscheidet sich diese abzudrucken, erhaltet ihr eine Prämie.
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!
Abbildung 4.17.: Beispiel fur eine Instruktionskarte
Die Karte ist sinnvoll in die verschiedenen Teile der Aufgabe gegliedert und sequenzi-ell aufgebaut: den Rahmen der fachlichen Situation, die Beschreibung des Materials,den Arbeitsauftrag und die Bewertungskriterien (Leisen, 2011, S. 90). Die einzelnen
67
4. Didaktische Umsetzung
Abschnitte sind farblich hinterlegt und so von einander getrennt. Durch die gleichefarbliche Hinterlegung wird eine ubersichtliche Struktur beibehalten. Jeder Aufga-benteil ist außerdem durch ein aussagekraftiges Bild gekennzeichnet, das angibt, umwelchen Teil es sich handelt. Bild und Text sind dabei durch die farbliche Hinterle-gung verbunden. Die Uberschrift der Station ist durch die Schriftgroße abgesetzt undgut erkennbar. Es wurde außerdem darauf geachtet, aussagekraftige Uberschriften zuwahlen, die einen Einblick in den Inhalt der Station geben.
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5. Evaluation
In diesem Kapitel wird die Durchfuhrung des Lernparcours quantitativ und qua-litativ evaluiert. Der Lernparcours wurde dazu in zwei Schulen in Mainz undUmgebung an insgesamt funf Klassen der Jahrgangsstufe neun getestet. Um dieDurchfuhrungsobjektivitat zu erhohen, wurde der Parcours zur Minimierung von Ver-suchsleitereffekten von drei verschiedenen Spielleitern betreut. Dabei erfolgten je zweiSpielmoderationen durch die Entwickler des Lernparcours und eine durch einen ex-ternen Spielleiter des Instituts fur Physik. Zudem waren bei fast jeder Durchfuhrungmindestens zwei zusatzliche Beobachter sowie die Lehrkraft anwesend, die die Gruppenan den einzelnen Stationen beobachteten und so eine Perspektive annehmen konnten,die dem Spielleiter durch seine Aufgaben verwehrt war. Die Beobachter haben dabeiso wenig wie moglich mit den Schulergruppen interagiert, um die Durchfuhrung nichtzu beeinflussen. Die Evaluation basiert auf der Analyse der von Teilnehmern aus-gefullten Evaluationsbogen sowie den Eindrucken von Lehrkraften, Spielleitern undBeobachtern.
5.1. Quantitative Auswertung
Die quantitative Auswertung untersucht die Eindrucke der Schuler vom Lernparcours.Hier wird zunachst der zur Erfassung dieser Eindrucke genutzte Evaluationsbogenerlautert, seine Anwendung beschrieben und schließlich die Auswertung seiner Ergeb-nisse vorgenommen.
5.1.1. Evaluationsbogen
Der Evaluationsbogen ist in drei Abschnitte unterteilt. Der erste Abschnitt enthaltdrei allgemeine Items. Diese erfassen die Einstellung zur Physik allgemein, die Ein-stellung zum Gesamtparcours sowie den empfundenen Schwierigkeitsgrad. Der zweiteAbschnitt erfasst in sechs verschiedenen Fragen die Einstellung der Schuler zur Me-thodik des Parcours wie zum Beispiel zum Arbeiten in Gruppen. Im dritten Abschnittgeht es darum, eine Einschatzung jeder einzelnen Station zu erhalten, um spater be-werten zu konnen, wo gegebenenfalls Anderungen vorzunehmen sind. Das letzte Itemist eine offene Frage, die individuelle Ruckmeldungen zum Lernparcours ermoglichtund so vorher nicht bedachte Hinweise erbringen kann.
Die Antworten werden jeweils in einer funfstufigen Rangskala erfasst. Die Rangstu-fen sind dabei durch Smileys visualisiert. Dies erfordert weniger Leseaufwand undleuchtet den Schulern instinktiv ein. Die Smileys sind dabei so gewahlt, dass sie
69
5. Evaluation
moglichst eindeutig eine Rangfolge von positiven zu negativen Emotionen darstel-len. Die Rangskala wird in der Auswertung, wie fur Skalen zur Einstellung ublich,als Ordinalskala erfasst. Der vollstandige Test befindet sich in Anhang A.5 In seinerGestaltung orientiert er sich an dem von Borsch (2005) entwickelten Lernfreudetest.
5.1.2. Durchfuhrung der Evaluation
Der Fragebogen wurde jeweils nach Beendigung der Baustation ausgeteilt. Die Schulerkonnten den Fragebogen ausfullen, wahrend einige Mitschuler die VR-Brille testeten,sie auf das Testen der VR-Brille warteten oder die Messung mit dieser schon durch-gefuhrt hatten. Ihnen war bewusst, dass die Teilnahme freiwillig ist, der Fragebogenanonymisiert ist und ihrer Lehrkraft die Ergebnisse nicht mitgeteilt werden. Es wur-den insgesamt 98 ausgefullte Evaluationsbogen zuruckgegeben, wovon zwei ungultigwaren, da sie grob unvollstandig ausgefullt wurden. Die Große der Stichprobe belauftsich also auf n = 96.
Bei der Durchfuhrung der Evaluation gab es keine Auffalligkeiten. Es wird demnachvon einem ernsthaften Ausfullen der Bogen ausgegangen. Auch die Kommentare imFreifeld lassen auf ein ernst genommenes Evaluationsverfahren schließen.
5.1.3. Statistische Auswertung der Evaluationsbogen
Die Daten wurden einheitlich codiert, wobei eine eins fur die beste Bewertung, den la-chenden Smiley, und eine funf fur die schlechteste Bewertung, den weinenden Smileysteht. Die Dateneingabe wurde von einer Person durchgefuhrt und von einer ande-ren kontrolliert. In der Auswertung werden die einzelnen Lerngruppen nicht getrenntbetrachtet, da sich ihre Mittelwerte sowie Standardabweichungen kaum unterscheiden.
n M SD
Einstellung zur Physik
m 49 2,47 0,97
w 45 2,71 1,02
Gesamt 96 2,59 1,00
Einstellung zum Parcours
m 49 2,39 0,72
w 45 2,40 0,83
Gesamt 96 2,39 0,77
Einstellung gemittelt uber alle Stationen
m 49 2,45 0,92
w 45 2,37 0,99
Gesamt 96 2,41 0,96
Tabelle 5.1.: Uberblick uber die allgemeine Einstellung zur Physik und zum Parcours
70
5. Evaluation
Tabelle 5.1 zeigt die allgemeine Einstellung der Schuler zur Physik, zum Parcours unddie gemittelte Einstellung uber alle Stationen. Zu jedem der drei Items zeigt jeweils dieerste Zeile die Werte fur die mannlichen Teilnehmer, die zweite fur die weiblichen unddie dritte fur die Gesamtzahl. Die Abweichung der Gesamtzahl von der Summe ausmannlichen und weiblichen Teilnehmern ist damit zu erklaren, dass von zwei Schulernkein Geschlecht angegeben wurde. Die Spalte n enthalt die Große der Stichprobe inder jeweiligen Kategorie, die Spalte M enthalt den Mittelwert der Einstellung und dieSpalte SD die dazugehorige Standardabweichung.
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
Einstellung zur Physik Einstellung zumParcours
Einstellung gemitteltüber alle Stationen
Mitt
elw
ert d
er E
inst
ellu
ng
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
Einstellung zurPhysik
Einstellung zumParcours
Einstellung gemitteltüber alle Stationen
Mitt
elw
ert d
er E
inst
ellu
ng
männlich
weiblich
Abbildung 5.1.: Links: Mittlere Einstellung zur Physik und zum Parcours, Rechts:Mittlere Einstellung zur Physik und zum Parcours nach Geschlecht
Die wichtigsten Daten aus Tabelle 5.1 sind in Abbildung 5.1 als Balkendiagrammdargestellt. Das linke Diagramm zeigt die durchschnittliche Einstellung aller Schuler,wobei die Fehlerbalken die Standardabweichung darstellen. Die mittlere Einstellungliegt dabei mit 2, 39 im positiven Bereich. Die Gesamteinstellung zum Parcours istdamit besser, als die allgemeine Einstellung zur Physik mit einem Wert von 2, 59. Dasrechte Diagramm prasentiert die gleichen Items nach Geschlecht aufgeteilt. Es zeigtsich, dass wahrend die mittlere Einstellung der Madchen zur Physik etwas schlechterausfallt als die der Jungen, der Parcours von den Madchen im Schnitt gleich gut ein-geschatzt wird. Es wurde unterstutzend eine Korrelationsanalyse nach Spearman furordinalskalierte Variablen durchgefuhrt, um die Daten auf einen moglichen Zusam-menhang der Einstellung zur Physik mit der Bewertung des Parcours zu untersuchen.Der Rangkorrelationskoeffizient nach Spearman-Pearson betragt dabei nur 0, 22 undweist demnach auf eine lediglich schwache Korrelation hin. Zwar lasst die Anlage desEvaluationsbogens keine genaue statistische Untersuchung dieser Korrelation zu, derWert kann aber dennoch als Indiz dafur gewertet werden, dass durch den Parcoursweniger an Physik interessierte Schuler nahezu gleichermaßen angesprochen werden.Besonders erfreulich ist, dass dies sowohl fur Jungen als auch fur Madchen, die imEvaluationsbogen ein im Mittel geringeres Interesse an Physik angeben, gilt.
71
5. Evaluation
Ebenfalls im Evaluationsbogen erhoben wurde die Einschatzung der Schwierigkeit desParcours. Der Parcours wurde auf einer Skala von sehr einfach (1) bis sehr schwer(5) im Schnitt mit einer 3, 02 bei einer Standardabweichung von 0, 87 beurteilt. DieSchwierigkeit wurde von den Schulern demnach als angemessen empfunden. Somitscheint die Elementarisierung des Themas auf ein fur Neuntklassler angemessenesNiveau gelungen zu sein.
n M SD
Einfuhrungsvideo 94 2,59 0,81
Teilchenpuzzle 93 2,74 0,94
Magnetbahn 93 2,14 0,84
Faktenkarten 92 2,66 1,03
Materiemodell 93 2,00 0,87
Minigolf 92 1,94 1,01
Cherenkov 93 2,84 0,97
Pfeilsuche 91 2,77 1,02
Standort 90 2,40 0,88
Poster 89 2,42 1,06
Lego 91 2,01 1,14
Tabelle 5.2.: Mittelwerte und Standardabweichungen zur Einstellung zu den einzelnenStationen
Tabelle 5.2 zeigt die Einstellung der Schuler zu den einzelnen Stationen. Die Spaltender Tabelle sind analog zu Tabelle 5.1 angeordnet, die Zeilen geben die jeweilige Stationan. Der Stichprobenumfang schwankt zwischen den einzelnen Stationen, da nicht alleSchuler zu allen Stationen Feedback gegeben haben.
1.001.502.002.503.003.504.004.505.00
Mitt
elw
ert
der
Ein
stel
lung
Abbildung 5.2.: Mittelwerte der Einstellung zu allen Stationen
72
5. Evaluation
Abbildung 5.2 zeigt die Daten aus Tabelle 5.2 wieder als Balkendiagramm. Bei derBetrachtung fallt auf, dass die sehr spielerischen Stationen Magnetbahn, Materie-modell, Minigolf und Lego deutlich besser bewertet wurden als der Durchschnitt von2, 41, wohingegen die abstrakten Stationen Teilchenpuzzle, Faktenkarten, Cherenkov-Effekt und Pfeilsuche schlechter als der Mittelwert beurteilt worden sind. Insgesamtwurde keine Station im Mittel schlechter als mit einem neutralen Smiley bewertet.
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Einführungsvideo
Teilchenpuzzle
Magnetbahn
Faktenkarten
Materiemodell
Minigolf
Cherenkov
Untergrund
Standortsuche
Poster
Lego
Wert 1 Wert 2 Wert 3 Wert 4 Wert 5
Abbildung 5.3.: Prozentualer Anteil der Bewertungsstufen an allen Bewertungen
Um die Streuung der Bewertung der Stationen genauer zu untersuchen, ist in Ab-bildung 5.3 jeweils der prozentuale Anteil der Bewertungsstufen von 1 bis 5 an derGesamtanzahl an Ruckmeldungen fur jede Station in Form eines Balkendiagrammsdargestellt. Die Graphik zeigt, dass bei allen Stationen unter 10% der Schuler die Sta-tion mit einer 5 bewertet haben und mit Ausnahme der Station zum Untergrund unter20% mit einer 4. Die Pfeilsuche, die mit einer durchschnittlichen Bewertung von 2, 77auch die am zweitschlechtesten bewertete Station ist, wurde dennoch von uber 10%der Schuler mit einer 1 bewertet. Die Bewertung dieser Station ist also besonders hete-rogen, was auch die im Vergleich zu anderen Stationen hohe Standardabweichung von1, 02 bestatigt. Dies konnte darin begrundet liegen, dass es sich um eine anspruchs-volle Station handelt, die von manchen Schulern als positive Herausforderung, vonanderen Schulern hingegen als zu schwierig empfunden wird. Die im Mittel am bestenbeurteilten Stationen Materiemodell, Minigolf und Lego fallen in diesem Diagrammdurch hohe Anteile an Bewertungen mit 1 auf, alle drei Stationen wurden von uber30% der Schuler mit der
’Bestnote‘ bewertet.
73
5. Evaluation
n M SD
Gruppenarbeit
m 49 2,14 0,78
w 45 1,91 0,81
Gesamt 96 2,03 0,80
Wettbewerb
m 49 2,24 0,80
w 45 2,07 0,90
Gesamt 96 2,16 0,85
Deadline
m 49 2,57 0,81
w 45 2,40 0,80
Gesamt 96 2,49 0,81
Forschungsfrage
m 49 2,35 0,90
w 45 2,24 0,85
Gesamt 96 2,30 0,88
Modelle
m 49 1,98 0,82
w 45 1,96 1,03
Gesamt 96 1,97 0,93
aktuelles Gebiet
m 49 2,31 0,86
w 45 2,20 0,98
Gesamt 96 2,26 0,92
Tabelle 5.3.: Mittelwerte und Standardabweichungen der Einstellung zur Methodik
Zuletzt werden in Tabelle 5.3 die Ergebnisse der Items zur Methodik vorgestellt. DieTabelle ist ebenfalls analog zu Tabelle 5.1 aufgebaut und zeigt die durchschnittli-chen Werte fur Madchen, Jungen und die Gesamtstichprobe an. Wahrend die mittlereEinstellung zu allen Methoden im positiven Bereich unter drei liegt, sind dennochUnterschiede zwischen den Methoden zu erkennen. Besonders positiv haben Madchenund Jungen mit einem Mittelwert von 1, 97 die Arbeit mit den gegenstandlichen Mo-dellen beurteilt, gefolgt von der Arbeit in der Gruppe mit einem Wert von 2, 03. Aberauch das fur die Schule eher unubliche Arbeiten im Wettbewerb wurde von beidenGeschlechtern im Schnitt als positiv aufgefasst. Die beiden fur die inhaltliche Zielset-zung dieser Arbeit wichtigen Items, die Aktualitat der Forschung und die Arbeit aneiner konkreten Forschungsfrage wurden im Schnitt auch noch als positiv beurteilt.Das Arbeiten unter einer Deadline wurde mit einem Mittelwert von 2, 49 eher neutralgewertet.
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5. Evaluation
1.001.502.002.503.003.504.004.505.00
Mitt
elw
ert
der
Ein
stel
lung
Abbildung 5.4.: Mittelwerte und Standardabweichungen der Einstellung zur Methodik
Um einen besseren Uberblick zu bieten sind in Abbildung 5.4 auch die Daten ausTabelle 5.3 als Balkendiagramm, analog zu Abbildung 5.1 dargestellt. Die Abbildungmacht noch einmal deutlich, dass auch unter Einbeziehung der Standardabweichungdie Methodenwahl des Parcours deutlich positiv bewertet wurde.
Das letzte Item des Evaluationsbogens ist ein Freifeld. Hier haben 17 Schuler eineindividuelle Ruckmeldung gegeben. Die einzige mehrfache Nennung war dabei dieknappe Deadline und zu hoher Zeitdruck, die von neun Schulern kritisiert wurden.Zur verpassten Nutzung der VR Brille gab es keine Ruckmeldung.
5.2. Qualitative Auswertung
Die qualitative Evaluation betrachtet in erster Linie mundliche Ruckmeldungen derLehrkrafte sowie die Eindrucke der verschiedenen Spielleiter und der beobachtendenPersonen. Um die Objektivitat dieser eher subjektiven Evaluation zu steigern, wurdendie Ruckmeldungen jeweils direkt nach der Durchfuhrung notiert.
5.2.1. Ruckmeldung der Lehrkrafte
Zunachst ist zu erwahnen, dass die Ausschreibung des Lernparcours, wie sie konkretAnhang A.6 entnommen werden kann, eine außerordentlich positive Resonanz hatte.Zwolf Lehrer zeigten Interesse, den Parcours mit einer oder mehreren Klassen durch-zufuhren. Schon darin zeigt sich das Interesse an einem solchen Thema der modernenPhysik sowie an alternativen Unterrichtsmethoden. Aus praktischen Grunden konnteder Lernparcours jedoch leider nur mit funf Klassen durchgefuhrt werden.
Alle funf Lehrkrafte der Testklassen außerten sich positiv uber den Lernparcours.Besonders hervorgehoben wurde dabei die Aktualitat der Forschungsfrage. MehrereLehrer sprachen die Problematik an, dass die Physik des 21. Jahrhunderts in den
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5. Evaluation
Lehrplanen zu kurz komme und empfanden den Lernparcours als gute Moglichkeit,dennoch ein aktuelles Themengebiet mit den Schulern zu behandeln. Sie erklarten au-ßerdem, dass ihnen im Unterricht immer wieder Fragen und Interesse zu Gebieten wieTeilchenphysik und Astrophysik begegnen, was die Argumentation zur Begrundungder Themenwahl bestatigt. Auch die alternative Methode als Spiel und die koope-rative Sozialform wurden als gelungene Abwechslung vom Regelunterricht und guteMoglichkeit zur Motivationssteigerung empfunden. Eine Lehrkraft lobte besonders,dass gerade Schuler, die sich sonst kaum am Unterrichtsgesprach beteiligen, in ih-ren Gruppen sehr aktiv an der Losung der einzelnen Stationsaufgaben mitgearbeitethaben.
Aus praktischen Grunden ist den Lehrern wichtig, dass der Parcours wie gehabt ander Schule durchgefuhrt werden kann und nicht an eine zeitintensive Exkursion zurMainzer Universitat gekoppelt ist. Wahrend es von zwei Lehrkraften die Ruckmeldunggab, dass der Parcours eher fur leistungsstarke 9. Klassen geeignet sei, da er ein ho-hes Maß an eigenverantwortlichem Arbeiten und ein gewisses Abstraktionsvermogenvoraussetze, wurde zugleich auch der Wunsch nach erneuter Durchfuhrung des Par-cours fur diese Klassenstufe laut. Drei Lehrkrafte außerten den konkreten Wunsch,den Parcours in Zukunft sowohl wieder in 9. Klassen als auch in hoheren Klassenstu-fen durchzufuhren. Des Weiteren baten Lehrer um Fotos und Beschreibung einzelnerMaterialien, um diese im Unterricht verwenden zu konnen.
Insgesamt lassen die hohe Nachfrage und die positiven Ruckmeldungen auf eingroßes Interesse der Lehrkrafte an Projekten zur Physik des 21. Jahrhunderts im Allge-meinen und auf eine hohe Zufriedenheit mit der Umsetzung im IceCube-Lernparcoursim Speziellen schließen.
5.2.2. Einschatzung der Spielleiter und Beobachter
Die Evaluation von Spielleitern und Beobachtern erfolgt aus drei verschiedenen Per-spektiven. Die Spielleiter, die gleichzeitig auch Entwickler des Lernparcours sind, neh-men in dieser Rolle vor allem das Gesamtbild der Klasse sowie die ihnen prasentiertenErgebnisse der einzelnen Gruppen wahr. Die Beobachter haben vor allem einen Blickauf die Interaktion in den einzelnen Gruppen und einen exklusiven Blick auf die Stati-onsergebnisse, die nicht dem Spielleiter prasentiert werden. Der externe Spielleiter hatzusatzlich einen Einblick, inwieweit die ihm in seiner Rolle als Spielleiter zur Verfugungstehenden Materialien ausreichen, um dieser Rolle gerecht werden zu konnen. All diesePerspektiven werden nun gebundelt, um zunachst Eindrucke zum Gesamtablauf sowieanschließend zu den einzelnen Stationen zu betrachten.
Eine erste Feststellung wurde schon vor Beginn der ersten Durchfuhrung gemacht.Fur das Packen der Materialien sowie fur ihren Aufbau in der Schule war ohne Fahrt-weg insgesamt fur zwei Personen uber eine Stunde zu veranschlagen. Besonders dasKalibrieren der Magnetbretter und vor allem das Einrichten der VR-Brille waren dabeisehr zeitintensiv. Die Durchfuhrung des Parcours fur vier Klassen an derselben Schu-le wurde demnach von den Beteiligten als wesentlich lohnenswerter als die einmaligeDurchfuhrung an einer anderen Schule empfunden. War der Parcours jedoch einmal
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5. Evaluation
aufgebaut, waren die Eindrucke von den verschiedenen Durchfuhrungen sehr positiv.Die Schuler arbeiteten in der Regel konzentriert in ihren Gruppen an den jeweiligenStationen und verteilten sich relativ schnell so, dass die Reporter nicht gleichzeitigbeim Spielleiter eintrafen und dieser so entspannt agieren konnte. Auch die Zusam-menarbeit in den jeweiligen Gruppen wirkte harmonisch und alle Schuler leisteten,auch durch die Aufgabenzuteilung bedingt, ihren Beitrag zur Gruppe. Nachdem esbei der ersten Durchfuhrung zu vereinzelten Vertauschungen in der Reihenfolge derStationen gekommen war, wurde dem durch Nummerierung der Instruktionskarten furdie folgenden Durchfuhrungen Abhilfe geschaffen. Auch dem Zeitmangel einiger Grup-pen der ersten Durchfuhrung konnte durch Einfuhrung der Rollenkarten innerhalb derGruppe, zu denen auch ein Zeitmanager zahlte, begegnet werden. So schafften es beidrei der folgenden vier Durchfuhrungen alle Schulergruppen auch die Posterstation zuvollenden. Im Rahmen der Rollenkarten wurde zudem ein Vorleser eingefuhrt, der dieInstruktionen allen mitteilte, wodurch die Anzahl an Schulerfragen beim Spielleitermerklich reduziert, beinahe auf null gebracht werden konnte.
Dem Einfuhrungsvideo gelang es, die Aufmerksamkeit der Schuler zu fangen. DieSpielleiter beobachteten, dass in der Regel alle Blicke auf das Video gerichtet wa-ren und dessen Vorfuhrung nicht durch Schulergesprache gestort wurde. Zwar ist esgrundsatzlich schwer zu beurteilen, inwieweit die Inhalte des Videos von den Schulernverstanden wurden, doch zeigt die Tatsache, dass es im weiteren Spielverlauf keineSchulerfragen, die mit den Inhalten des Videos schon hatten beantwortet sein mussen,auftauchten, ein grundlegendes Verstandnis. Die erste Aufgabe, die verschiedenen Ele-mentarteilchen zu systematisieren, konnte bislang von allen Gruppen gelost werden.Dabei fanden alle Gruppen die Masse als Ordnungskriterium, sehr viele Gruppen auchdie Ladung und einige Gruppen zusatzlich mit der Wechselwirkung sogar alle dreimoglichen Kriterien. Dabei fiel als Spielleiter jedoch auf, dass sich bei einigen Grup-pen die Ordnung nach Wechselwirkung eher zufallig ergeben hatte und sie bei derenNennung durch den Spielleiter bei der Begrundung der Munzenanzahl eher uberraschtreagierten. Die Wechselwirkung als eigenstandige Teilcheneigenschaft wurde von denmeisten Schulern erst bei den Faktenkarten zur Reichweite der einzelnen Teilchen be-wusst wahrgenommen. Schuler gingen gezielt zum Standardmodell der ersten Stationzuruck, um zu schauen, welchen Wechselwirkungen die Teilchen unterliegen. Auchwenn die portable Funktion des Standardmodells eher selten genutzt wurde, so wurdehier dennoch deutlich, dass die Verknupfung von Grundlagen mit Anwendungswissenvon den Schulern geleistet wurde und die einzelnen Stationen als verbundene Einheitwahrgenommen wurden. Auch bei der zweiten Station, dem Magnetbrett als Funk-tionsmodell der Teilchenablenkung in kosmischen Magnetfeldern, warfen die meistenSchuler einen Blick zuruck auf die Ladung der Elementarteilchen. Diese Station wur-de von den meisten Schulergruppen auf Anhieb und mit der richtigen Begrundunggelost. Die einzige andere Argumentation, die die Beobachter mithoren konnten, wardie Masse als Einflussfaktor und die Entscheidung fur das schwerste Teilchen. Pro-bleme auf Anhieb die richtige Losung zu finden, hatten die Schuler dagegen eher beider daran anschließenden Station der Faktenkarten zur Durchdringungstiefe. Wahrendsich die Schuler der Kriterien Wechselwirkung und Dichte sowie deren Auswirkungen
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5. Evaluation
durchaus bewusst waren, schien die Vielzahl der Karten einige Schuler zu uberfordern;ihnen fehlte eine systematische Herangehensweise. Dagegen zeigte sich, dass mit demeinfachen Tipp, die Karten paarweise und hinsichtlich großer-kleiner-Relationen zubetrachten, die Aufgabe von allen Gruppen spatestens im dritten Versuch, von denmeisten schon beim zweiten Anlauf gelost werden konnte. Die darauf folgende Stationdes Materiemodells und Neutrinoeimers bereitete keinerlei Probleme, wurde sehr zugigbearbeitet und auch die abschließende Frage wurde mundlich innerhalb der Gruppenbeantwortet, auch wenn es keinerlei monetare Entlohnung dafur gab. Ahnlich problem-los verlief die Minigolfstation, welche die Wechselwirkung veranschaulichen sollte. DieSchulergruppen agierten dabei ehrlich und legten eine Munze je drei Schlage ab. Hiersollte jedoch angemerkt sein, dass dies auch durch die vielen Beobachter bedingt ge-wesen sein konnte. Die anschließende Station zum Cherenkov-Effekt funktionierte gut.Zwar waren das Video und der Comic zunachst deutlich beliebter als die Lexikonarti-kel, der Schulbuchauszug sowie die reinen Grafiken, doch stellten die Schuler schnellfest, dass Bildschirmgroße und Lautstarke der Tablets nicht auf funf Schuler gleich-zeitig ausgelegt waren. Es zeigte sich dann sogar, dass Schuler, die sich daraufhinmit dem Textmaterial beschaftigten, schneller mit der Zuordnungsaufgabe begannenals jene, die meist immer noch das Video schauten. Die Zuordnungsaufgabe wurdesehr oft vollstandig richtig gelost; bisher wurden lediglich maximal drei von siebenZuordnungen falsch vorgenommen. Mit der Station zum Untergrund folgte nun eineStation, die nur von sehr wenigen Gruppen ohne Hilfestellung gelost werden konnte.Wahrend die gesuchte Energiefarbe den Schulern schnell klar war, stellte das Rich-tungskriterium ein großes Problem dar. Den Schulern fiel es schwer, die Informationender Legende mit dem plastischen Erdmodell sowie dem 2D-Schema und schließlich derPfeilplane zu verknupfen. Auch wenn man den Schulern die gesuchten Botenteilchensowie die Teilchen, mit denen aufgrund gleicher Farbe Verwechslungsgefahr bestand,im plastischen Modell zeigte, konnten die wenigsten eine unterscheidende Richtungs-information daraus ziehen. Um den Parcours an dieser Station nicht enden zu lassenund auch nicht zu viel Zeit zu vergeuden, wurde den einzelnen Gruppen in vielenFallen schließlich das Richtungskriterium durch Eingreifen des Spielleiters sowie derBeobachter erlautert. Die Anwendung der Kriterien auf die Pfeilplane und das Bil-den eines Buchstabens aus den Spielern wurde dagegen sehr positiv aufgenommen.Viele Schuler merkten die Ahnlichkeit zum Spiel Twister an und wollten mit derArgumentation gut in Twister zu sein, einer der Schuler auf der Plane sein. Die an-schließende Station zu einem geeigneten Standort fur den Detektor wurde von denmeisten Schulern dagegen trotz Zeitdruck, da es sich um die letzte Station vor der mitDeadline behafteten Posterstation handelte, gut gemeistert. Wahrend einige Gruppeneine systematische Herangehensweise zeigten und zunachst die Eigenschaftskarten inrelevant und irrelevant ordneten, um dann den bestmoglichen Standort zu suchen,gelang dies auch weniger strukturierten Gruppen. Einige Gruppen nannten auch dieFlusse als geeignete Orte, aber nur sehr wenige Gruppen wahlten andere Standorteaus. In der Argumentation einiger Gruppen fur den Standort Antarktis fanden sichjedoch auch einige Verweise auf das schon bei der folgenden Posterstation entdeckteBild mit Pinguinen sowie die bei der Baustation bereitliegenden Handschuhe. Die Ge-
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5. Evaluation
staltung des Posters, wenn auch bei einigen Gruppen unter starkem Zeitdruck, konnteim Großen und Ganzen als erfolgreich bewertet werden. Fast alle Gruppen gestalte-ten sinnvoll gegliederte, ubersichtliche Poster. Auch enthielten die Poster der meistenGruppen nur richtiges Text- und Bildmaterial, wobei sich falsches Material vor al-lem bei den stark unter Zeitdruck stehenden Gruppen fand. Großere Schwierigkeitenbereiteten den Gruppen vor allem die Unterscheidung in relevante und irrelevante In-formationen, vor allem das Bild mit den Pinguinen erfreute sich großer Beliebtheit.Der abschließende Bau des Legomodells war vor allem von guter Stimmung durchAnfeuerungsrufe und allgemein mitfiebernde Spannung gepragt. Die Ausfuhrung desBaus war sehr unterschiedlich. Wahrend einige Gruppen ihr Modell vor Ablauf der 5Minuten fertigstellen konnten, stand bei anderen bis zum Ende nur eine erste Ebene.Fur viele Schuler bildete dies auch das Abschlussspiel, da nur einzelne Gruppenmitglie-der eine Messung mit der VR-Brille durchfuhren konnten. Das Geld, welches uber dieAnzahl der einer Gruppe moglichen Messungen bestimmt, war dabei in allen Klassenrelativ gleichmaßig auf die Gruppen verteilt. Jede Gruppe konnte sich mindestens eineMessung leisten, einige zwei und nur eine einzige Gruppe drei. Uberraschenderweisewaren die Schuler, die nicht zum Zuge kamen, keineswegs enttauscht. Einige Gruppenhatten sogar Schwierigkeiten, Freiwillige fur die Messung zu finden. Wahrend die Einensagten, dass sie schlecht in Computerspielen seien, fanden die Anderen es, gerade nach-dem sie die Graphik auf dem Bildschirm gesehen hatten, langweilig und wollten lieberin die Pause gehen. Dies fuhrte auf ein zweites Problem. Da die VR-Brille jeweils nurvon einer Person genutzt werden konnte, dauerte die Station im Vergleich zu den an-deren wesentlich langer und gerade deshalb oft auch bis in die Pause, beziehungsweiseverabschiedeten sich dann die Schuler in die Pause. Auch die Durchfuhrung mit zweiVR-Brillen zeigte sich nicht als erfolgreiche Losung des Problems. Wahrend eine zwei-te VR-Brille nicht fest zu den Materialien des Lernparcours gehoren kann, bedeutetesie auch einen erheblichen Mehraufwand fur Transport und Aufbau und beide Bril-len waren nicht von einem einzigen Spielleiter gleichzeitig handelbar. Zudem fiebertendie Gruppenmitglieder kaum mit, was jedoch auch durch das parallele Ausfullen derFeedbackbogen bedingt sein konnte und es kam zu keinem gemeinsamen Abschluss imSinne der Kurung einer Siegergruppe mit den meisten detektierten Teilchen.
Auch fur einen externen Spielleiter erwies sich der Lernparcours grundsatzlich alshandelbar. Durch die stichpunktartige Vorlage der am Anfang mundlich zu gebendenInstruktionen, das Korrekturblatt mit Losungen und Angaben zu den zu gewinnendenMunzen fur alle Stationen sowie die Gesamtanleitung zur Vorbereitung, konnte derLernparcours gut durchgefuhrt werden und auch das Schulerfeedback in diesem Durch-gang wich nicht von dem sonstigen ab. Ein wenig Hektik war dadurch geboten, dassder Klassenwechsel in diesem Fall in einer 5-Minutenpause stattfand, in welcher dievon der Vorgangergruppe genutzten Materialien schnell in ihre Ausgangslage gebrachtwerden mussten. Weitere Schwierigkeiten traten vor allem an den Stationen auf, andenen die Schuler selbst Probleme hatten. Da der Parcours dem externen Spielleiternicht so vertraut wie seinen Entwicklerinnen war, konnte er didaktisch sinnvolle undhilfreiche Tipps nicht einfach aus dem Stehgreif geben. Dennoch konnte der Parcourserfolgreich zu Ende gebracht werden.
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5. Evaluation
5.3. Konsequenzen aus den Auswertungsergebnissen
Grundsatzlich lasst sich sowohl aus der quantitativen als auch aus der qualitativenAuswertung ein positives Resumee ziehen. Die Lehrer sehen in dem Parcours ein re-levantes Thema methodisch gut umgesetzt, die Schuler geben ihm ein uberwiegendpositives Feedback und auch Spielleiter und Beobachter sind zufrieden. Dennoch lassensich aus der qualitativen Auswertung, gestutzt durch Tendenzen in der quantitativenAuswertung, konkrete Maßnahmen fur eine weitere Verbesserung des Lernparcoursziehen.
Der organisatorische Rahmen, den Lernparcours ab der neunten Klasse bis hinzum Abiturjahrgang durchzufuhren, wird beibehalten. Obwohl einige Lehrer beto-nen, dass der Parcours leistungsstarke neunte Klassen verlangt, zeigt die funfmaligeDurchfuhrung und das entsprechende Schulerfeedback, dass der Parcours sehr wohl inder neunten Klasse durchfuhrbar ist. Die Anmerkungen dieser Lehrer weisen jedochauch darauf hin, dass der Parcours auch fur hohere Klassenstufen gut geeignet ist.Dies mag vor allem in den eher theoretischen Stationen, bei denen die Neuntklasslerzusatzliche Tipps benotigten, zum Ausdruck kommen, die fur Zwolftklassler wahr-scheinlich ohne Hilfestellung zu meistern sind. Auch die Dauer von 90 Minuten und dieAnspruche an die Raumgroße werden beibehalten. Zusatzlich sollte die Durchfuhrungan eine Mindestzahl von drei Klassen geknupft werden, sodass der Aufwand des Auf-und Abbaus zu rechtfertigen ist.
Der fehlende gemeinsame Abschluss des Lernparcours mit der VR-Brille gibt An-lass, das Spielziel zu uberdenken. Schließlich erwahnt kein Schuler in dem freien Text-feld, seine Enttauschung, die VR-Brille nicht genutzt haben zu konnen oder von je-nen, die sie tatsachlich ausprobieren konnten, erwahnt keiner seine Begeisterung. Derin der qualitativen Auswertung beschriebene mangelnde Andrang spricht in diesemSinne. Stattdessen wird in dem freien Textfeld einige Male der Zeitdruck negativ ge-nannt und auch unter den Methodenfragen schneidet die Deadline am schlechtestenab. Zwar scheint die Deadline im Kontext Schule mit dem gleichzeitigen Pausenklin-geln fur alle durchaus sinnvoll, doch konnte sie ohne die Station der VR-Brille weiternach hinten rucken und so den Zeitdruck minimieren. Der Zeitmanager musste dannseine Gruppe weniger durch den Parcours hetzen und es ware mehr Zeit fur die ein-zelnen Stationen. Das neue Spielende ware damit der Bau der Forschungsstation.Anstelle von Strafmunzen fur nicht verbaute Legosteine konnte man von seinem GeldZusatzbauzeit kaufen, zum Beispiel eine Minute a zwei Munzen. Das Ziel ware es, dieForschungsstation zu vollenden; es konnte also auch mehrere Gewinner geben. Damitwaren Wettkampf- und Kooperationsspiel im finalen Spiel ausgewogen. Dafur sprichtauch, dass die Schuler die Baustation besonders positiv bewerten und der letzte Ein-druck vom Lernparcours und der Astroteilchenphysik somit ein positiver ware.
In Bezug auf einen externen Spielleiter, aber auch als Beitrag zur allgemeinenObjektivitat des Lernparcours, sind fur jene Stationen, die den Schulern Problemebereiten, Tippkarten anzufertigen. Die Karten konnen fur je eine Munze vom Aufga-benmanager oder, falls dieser nicht im Spiel ist, vom Reporter beim Spielleiter erwor-ben werden. Dies ist fur die Station der Faktenkarten zum Durchdringungsvermogen
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5. Evaluation
notwendig. Nicht nur die Bewertung der Schuler fallt hier etwas schlechter aus alsfur den Rest, sondern auch die Spielleiter und Beobachter beschreiben hier konkreteHurden. Hier sollte sich der Hinweis auf die Paare gleicher Teilchen und Medien alsProblemlosestrategie beziehen sowie nochmals die konkreten Großenangaben in denHintergrund und das Großer-Kleiner-Verhaltnis in den Vordergrund weisen. Da sichder Tipp in den Durchfuhrungen durchaus bewahrt hat, ist eine konkrete Losung aufder Tippkarte nicht notig. Die zweite Station, die sowohl im Schulerfeedback als auchin der qualitativen Auswertung auffallt, ist die Pfeilsuche zum Untergrund. Auch wenndie, die Energie symbolisierende Farbe von vielen Gruppen richtig erkannt wird, bie-tet es sich an, zur Sicherheit auch hierfur eine Tippkarte, die fast einer Losungskartegleich kommt, anzufertigen. Diese sollte die Farbe sowie die entsprechende Begrundungenthalten. Eine entscheidendere Rolle spielt die Tippkarte dagegen fur die Richtungs-information. Auch hier sollte die konkrete Richtung in Bezug auf die Erdoberflachewie eine Losung genannt werden und eine Begrundung geliefert werden. Zusatzlichsollte hier auch ein Bezug zu den Modellen sowie der Legende hergestellt werden, umden Schulern auch ein adaquates Verstandnis dieser zu ermoglichen. Da es im Rahmendieser Arbeit nicht moglich war, den Parcours mit alteren Schulern zu testen, stelltsich die Frage, inwieweit diese uberhaupt der Tippkarten bedurfen. Bei der Pfeilsu-chestation ware bei Leistungskursschulern sogar zu uberlegen, die auf der Legendebefindlichen Tipps von dort zu kurzen und stattdessen als kauflich erwerbliche Tippszu verwenden. Zwar erhalt auch der Cherenkov-Effekt ein ahnliches Schulerfeedback,doch verhalt es sich hier mit den qualitativen Ruckmeldungen anders. Zudem falltauf, dass mit den Faktenkarten, dem Cherenkov-Effekt sowie teilweise auch der Sta-tion zum Standardmodell vor allem theoretische Stationen, die nicht mit Geschick-lichkeitsspielen verknupft sind, mit Mittelwerten um die 2,7 zwar noch leicht posi-tiv, jedoch schlechter als die anderen Stationen bewertet wurden. Die Bewertung derSchuler wird deshalb auch auf deren eher grundsatzliche Abneigung zu kognitiverAnstrengung zuruckgefuhrt. Da der Lernparcours viele Methodenwechsel enthalt undder Cherenkov-Effekt nun mal kognitiv anspruchsvoll ist, wird an dieser Station nichtsverandert.
Schließlich werden einzelne kleinere Anderungsvorschlage betrachtet. Um zu ver-meiden, dass die Gruppen sich den Standort schon aus dem Pinguinbild der Folgesta-tion erschließen, sollte dieses verdeckt gehangt werden. Dies bietet sich an, da auf demAusgangsposter mehr Materialien als Platz sind und demnach sowieso einige Mate-rialien uberlappen. Dem Problem der sichtbaren Winterausrustung der ubernachstenStation kann dagegen weniger einfach Abhilfe geschaffen werden. Bei einem einzigenSpielleiter wurde es zu viel Hektik bedeuten, diese erst nach Vollendung aller anderenStationen dort zu platzieren, da gleichzeitig auch die Poster zu bewerten sind. Es warehochstens moglich, die Lehrkraft an dieser Stelle um Mithilfe zu bitten. Dies fuhrt zueinem weiteren wichtigen Punkt. Gerade wenn es nur einen Spielleiter und keine weite-ren Beobachter gibt, erweist es sich als sinnvoll, die Lehrkraft aktiv mit einzubeziehen.So ist der Ablauf ungestorter, wenn zum Beispiel die Lehrkraft im Rahmen der An-fangsinstruktion auf ein Zeichen hin das Einfuhrungsvideo sowie den Timer startet.Auch durch ein Reinhoren bei einzelnen Gruppen und die Prasenz im Klassenraum
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5. Evaluation
kann sie ahnlich wie unsere Beobachter ein ehrliches Spielen, was sich zum Beispielim eigenstandigen Zahlen der entsprechenden Munzzahl bei der Minigolfstation zeigt,fordern. Schließlich kann sie, fur den Fall, dass zwei Klassen, lediglich getrennt vonder 5-Minutenpause, den Parcours durchlaufen, schon einige kleinere Wiederherstel-lungsarbeiten an einigen Stationen ubernehmen und so zum Beispiel die Perlenkugelnbeim Minigolfmodell wieder in ihre Ausgangslage bringen.
82
6. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassend lasst sich sagen, dass die gesteckten Ziele mit dieser Arbeit erreichtwurden. Mit der erfolgreichen Entwicklung des Lernparcours wurde das IceCube-Observatorium spielerisch erschlossen. Er ermoglicht Schulern einen Einblick in einkonkretes aktuelles Forschungsgebiet der Astroteilchenphysik sowie in die Methodikempirischer Forschung. Der Lernparcours wurde mit funf Klassen getestet, wodurchdie Durchfuhrbarkeit in 90 Minuten ab der 9. Klasse und ohne spezielles Vorwissender Schuler bestatigt wurde. Durch die methodische Abwechslung, die kooperativeSozialform und die Realisierung als Lernspiel konnen die Schuler in besonderer Weiseaktiviert und motiviert werden und curriculare Kompetenzen, besonders im BereichMethodenkompetenz und Erkenntnisgewinnung trainieren. Die große Nachfrage nachdem Parcours und die positiven Ruckmeldungen der Lehrer und Schuler bestatigensowohl eine besondere Eignung des Parcours fur die Schule als auch ein großes In-teresse von Lehrern und Schulern an der Einbeziehung aktueller Forschung in denPhysikunterricht sowie der Nutzung alternativer Unterrichtsformen und Methoden.Besonders freut uns dabei, dass auch Schuler, die weniger Interesse an Physik haben,den Lernparcours gut bewerten und dass das Schulerfeedback kaum Unterschiede zwi-schen Madchen und Jungen zeigt. Der Lernparcours macht demnach deutlich, dass beientsprechender Planung und Vorbereitung die Einbindung aktueller und komplexerForschungsfragen in den Physikunterricht nicht nur moglich ist, sondern von Schulernauch positiv aufgenommen wird.
Zuletzt ist noch darauf hinzuweisen, dass der Parcours durch seine methodischeOffenheit und die Durchfuhrbarkeit ohne Vorwissen nicht auf die Schule beschranktbleiben muss. In Ganze oder in Abwandlungen kann er genutzt werden, um auchErwachsenen oder Kindern und Jugendlichen außerhalb der Schule einen Einblick indie Astroteilchenphysik zu ermoglichen und so einen Beitrag zum Auftrag der Physikzur wissenschaftlichen Aufklarung der Gesellschaft zu leisten.
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Literaturverzeichnis
Aartsen, Mark G. et al. (2017): “Measurement of the Multi-TeV Neutrino Cross Sec-tion with IceCube Using Earth Absorption”. Nature, 551, 596–600.
Abreu, Pedro et al. (2012): “Measurement of the Proton-Air Cross-Section at√s = 57
TeV with the Pierre Auger Observatory”. Physical Review Letters, 109, 062002.
Aebli, Hans (1987): Zwolf Grundformen des Lehrens. Eine allgemeine Didaktik aufkognitionspsychologischer Grundlage. Stuttgart: Klett-Cotta.
Ahlers, Markus und Halzen, Francis (2017): “IceCube: Neutrinos and MultimessengerAstronomy”. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2017(12), 12A105.
Ahrens, Jens et al. (2004): “Muon Track Reconstruction and Data Selection Techni-ques in AMANDA”. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research SectionA: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 542(1), 169–194.
Backhaus, Udo (2001): “Astronomie im Physikunterricht”. In: Ernst Kircher; Rai-mund Girwidz; und Peter Haußler (Hg.), Physikdidaktik. Theorie und Praxis, Berlin:Springer, 509–530.
Baum, Volker (2017): Search for Low Energetic Neutrino Signals from Galactic Su-pernovae and Collisionally Heated Gamma-Ray Bursts with the IceCube NeutrinoObservatory. Dissertation, Johannes Gutenberg-Universitat, Mainz.
Borsch, Frank (2005): Der Einsatz des Gruppenpuzzles in der Grundschule. Hamburg:Dr. Kovac.
Borsch, Frank (2015): Kooperatives Lernen. Theorie, Anwendung, Wirksamkeit. Stutt-gart: Kohlhammer.
Boser, Sebastian (2002): Separation of Atmospheric Neutrinos with the AMANDA-IIDetector. Diplomarbeit, Technische Universitat, Munchen.
Butkevich, Andrey V. und Mikheev, Sergey P. (2002): “Cross Section of the MuonNuclear Inelastic Interaction”. Journal of Experimental Theoretical Physics, 95(1),11–25.
84
LITERATURVERZEICHNIS
Carrol, Bradley und Ostlie, Dale (2007): An Introduction to Modern Astrophysics. SanFrancisco: Pearson.
Comenius, Johann (1954): Große Didaktik. Ubersetzt und herausgegeben von A. Flit-ner. Dusseldorf: Kuepper.
Commons, MissMJ Wikimedia (2006): “Standard Modell of Elementary Particles ”.https://de.wikipedia.org/wiki/Standardmodell [Abbildung].
Cruz, Silva und Angel, Humberto (2016): Search for Multiple Neutrino Flares from Ac-tive Galactic Nuclei with the IceCube Detector. Dissertation, Humboldt-Universitat,Berlin.
Demtroder, Wolfgang (2017): Experimentalphysik 4: Kern-, Teilchen- und Astrophysik.Berlin: Springer.
Duit, Reinders und Mikelskis-Seifert, Silke (2012): “Kontextorientierter Unterricht”.In: Reinders Duit und Silke Mikelskis-Seifert (Hg.), Physik im Kontext. Konzepte,Ideen, Materialien fur effizienten Physikunterricht, Seelze: Friedrich, 22–23.
Einsiedler, Wolfgang (1991): Das Spiel der Kinder. Bad Heilbrunn: Klinkhardt.
Falkenburg, Brigitte (2013): “Was sind subatomare Teilchen?” In: Michael Esfeld(Hg.), Philosophie der Physik, Berlin: Suhrkamp, 158–184.
Freytag, Carl und Osterhage, Wolfgang (2016): Wie man Elementarteilchen entdeckt:Vom Zyklotron zum LHC – ein Streifzug durch die Welt der Teilchenbeschleuniger.Berlin: Springer.
Girwidz, Raimund (2009): “Medien im Physikunterricht”. In: Ernst Kircher; RaimundGirwidz; und Peter Haußler (Hg.), Physikdidaktik, Heidelberg: Springer, 204–264.
Goethe, Johann Wolfgang (2013): Faust. Der Tragodie erster Teil. Paderborn:Schoningh.
Grupen, Claus (2000): Astroteilchenphysik: Das Universum im Licht der kosmischenStrahlung. Braunschweig: Vieweg.
Grupen, Claus (2018): Einstieg in die Astroteilchenphysik: Grundlagen, Messungenund Ergebnisse aktueller Forschung. Berlin: Springer.
Hacker, German und Hilscher, Helmut (2001): “Elementarteilchenphysik in der Schu-le”. In: Ernst Kircher; Raimund Girwidz; und Peter Haußler (Hg.), Physikdidaktik.Theorie und Praxis, Berlin: Springer, 479–508.
Halzen, Francis (2014): “Neutrino Astronomy. An Update”. Astroparticle Physics, 53,166–174.
Hasselhorn, Marcus und Gold, Andreas (2013): Padagogische Psychologie. Erfolgrei-ches Lernen und Lehren. Stuttgart: Kohlhammer.
Haußler, Peter und Lauterbach, Robert (1976): Ziele naturwissenschaftlichen Unter-richts. Weinheim: Beltz.
IceCube Collaboration, University of Wisconsin Madison (2018): “IceCube NeutrinoObservatorium - The Detector ”. https://icecube.wisc.edu/science/icecube/detector[Abbildung].
Johnson, David W. und Johnson, Roger T. (2013): “The Impact of Cooperative, Com-petitive, and Individualistic Learning Environments on Achievement”. In: John Hat-tie (Hg.), International Handbook to Student Achievement, New York: Routledge,372–374.
Kircher, Ernst (2009a): “Methoden im Physikunterricht”. In: Ernst Kircher; RaimundGirwidz; und Peter Haußler (Hg.), Physikdidaktik, Heidelberg: Springer, 149–202.
Kircher, Ernst (2009b): “Modellbegriff und Modellbildung in der Physikdidaktik”. In:Ernst Kircher; Raimund Girwidz; und Peter Haußler (Hg.), Physikdidaktik, Heidel-berg: Springer, 735–762.
Klafki, Wolfgang (1963): Studien zur Bildungstheorie und Didaktik. Weinheim: Beltz.
Klpador-Kleingrothaus, Hans und Zuber, Kai (2000): Particle Astrophysics. Bristol:Institut of Physics Publishing.
KMK, Sekretariat der Standigen Konferenz der Kultusminister der Lander in derBundesrepublik Deutschland (Hg.) (2005): Beschlusse der Kultusministerkonferenzim Fach Physik fur den Mittleren Schulabschluss (Jahrgangsstufe 10).
Kobel, Michael et al. (2017): Teilchenphysik. Unterrichtsmaterialien ab Klasse 10.Erstellt in Kooperation mit Netzwerk Teilchenwelt. Hamburg: Siepmann.
Kott, Wiebke (2016): Einblick in die Teilchenwelt. Ein neuartiger Zugang auf derGrundlage von Messungen kosmischer Myonen im Klassenraum. Masterarbeit, Jo-hannes Gutenberg-Universitat, Mainz.
Labudde, Peter (2009): “Gespielte Physik - spielerische Physik”. In: Ernst Kircher;Raimund Girwidz; und Peter Haußler (Hg.), Physikdidaktik, Heidelberg: Springer,404–422.
Leisen, Josef (2008): “Lehrerinnen und Lehrer schreiben Texte: Fachtexte furSchulerinnen und Schuler passend machen”. Unterricht Physik, 19(104), 93–95.
Leisen, Josef (2011): “Kompetenzorientiert unterrichten. Fragen und Antworten zukompetenzorientiertem Unterricht und einem entsprechenden Lehr-Lern-Modell”.Unterricht Physik, 123(124), 100–106.
Leisen, Josef (2012): “Problemorientierter Unterricht und Aufgabenkultur”. In: Sil-ke Mikelskis-Seifert und Thorid Rabe (Hg.), Physik Methodik. Handbuch fur dieSekundarstufe I und II, Berlin: Cornelsen, 82–94.
Lena, Pierre et al. (2012): Observational Astrophysics: translated by S. Lyle. Berlin:Springer.
Maier, Uwe (2012): Lehr-Lernprozesse in der Schule. Studium. AllgemeindidaktischeKategorien fur die Analyse und Gestaltung von Unterricht. Bad Heilbrunn: Klink-hardt.
MBWWK RLP, Ministerium fur Bildung, Wissenschaft, Weiterbildung und KulturRheinland-Pfalz (Hg.) (2014): Lehrplane fur die Naturwissenschaftlichen Facher:fur die weiterfuhrenden Schulen in Rheinland-Pfalz: Klassenstufen 7 bis 9/10.
Mikelskis-Seifert, Silke und Behrendt, Helga (2012): “Spielen im Physikunterricht”. In:Silke Mikelskis-Seifert und Thorid Rabe (Hg.), Physik Methodik, Berlin: Cornelsen,172–186.
MKJS BW, Ministerium fur Kultur, Jugend und Sport Baden-Wurttemberg (Hg.)(2016): Bildungsplan des Gymnasiums. Physik.
MSW NRW, Ministerium fur Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen (Hg.) (2014a): Kernlehrplan fur das Gymnasium Sekundarstufe I inNordrhein-Westfalen.
MSW NRW, Ministerium fur Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen (Hg.) (2014b): Kernlehrplan fur das Gymnasium Sekundarstufe II inNordrhein-Westfalen.
Muckenfuß, Heinz (2006): Lernen im sinnstiftenden Kontext. Entwurf einer zeit-gemaßen Didaktik des Physikunterrichts. Berlin: Cornelsen.
Muller, Rainer (2006): “Kontextorientierung und Alltagsbezug”. In: Helmut F. Mikels-kis (Hg.), Physik Didaktik. Praxishandbuch fur die Sekundarstufe I und II, Berlin:Cornelsen, 102–119.
87
LITERATURVERZEICHNIS
Nasa (2015): “Multiwavelength Universe”. https://asd.gsfc.nasa.gov/archivemwmw[Abbildung].
Nerdel, Claudia (2017): Grundlagen der Naturwissenschaftsdidaktik. Kompetenzorien-tiert und aufgabenbasiert fur Schule und Hochschule. Berlin: Springer.
Oerter, Rolf (1977): Moderne Entwicklungspsychologie. Donauworth: Auer.
Passon, Oliver (2014): “Was sind Elementarteilchen und gibt es virtuelle Photonen?”Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, 63(5), 44–49.
Perkins, Donald (2011): Particle Astrophysics. Oxford: Oxford University Press.
Portmann-Tselikas, Paul R. und Schmolzer-Eibinger, Sabine (2008): “Textkompe-tenz”. Fremdsprache Deutsch, 39, 5–16.
Reinhold, Peter (2006): “Physikunterricht fundieren”. In: Helmut F. Mikelskis (Hg.),Physik Didaktik. Praxishandbuch fur die Sekundarstufe I und II, Berlin: Cornelsen,86–102.
Riedl, Alfred (2010): Grundlagen der Didaktik. Stuttgart: Franz Steiner.
Slavin, Robert (1995): Cooperative Learning Theory Research and Practise. Boston:Allyn and Bacon.
SLMBFFK, Saarland Ministerium fur Bildung, Familien, Frauen und Kultur (Hg.)(2008): Gymnasiale Oberstufe Saar (GOS) Lehrplan Physik G-Kurs.
SLMBFFK, Saarland Ministerium fur Bildung, Familien, Frauen und Kultur (Hg.)(2013): Lehrplan Physik Gymnasium Klassenstufe 7 und 8.
Spatschek, Karl-Heinz (2018): Astrophysik: Eine Einfuhrung in Theorie und Grund-lagen. Berlin: Springer.
Tanabashi, M (2018): “The Review of Particle Physics”. Physical Review, D 98,030001.
Thorid, Rabe (2012): “Textarbeit und Narration”. In: Silke Mikelskis-Seifert und Tho-rid Rabe (Hg.), Physik Methodik, Berlin: Cornelsen, 158–171.
Williams, Dawn (2018): “Recent Results from IceCube”. International Journal of Mo-dern Physics: Conference Series, 46, 1860048.
Da uns Licht keine Informationen über hochenergetische Quellen liefert, sind wir auf der Suche
nach geeigneten Botenteilchen. Wir betrachten deshalb zunächst alle kleinsten bekannten
Teilchen, die sogenannten Elementarteilchen. Sie sind so klein, dass bisher keinerlei Ausdehnung
gemessen werden konnte, weshalb sie als punktförmig angenommen werden.
An dieser Station findet ihr alle dieser Teilchen in Form von Puzzleteilen. Ihre Eigenschaften
Ruhemasse und Ladung sind jeweils angegeben. Eine weitere Eigenschaft, die Art ihrer
Wechselwirkung mit anderen Teilchen, ist in Form ihrer Kantengestaltung dargestellt. Welches
Kantenmaterial dabei welcher Wechselwirkung entspricht, könnt ihr in der Legende nachschauen.
Die Teilchen befinden sich derzeit in einer willkürlichen und dadurch unübersichtlichen
Anordnung, was das weitere Forschen mit ihnen erschwert. Ordnet die Teilchen nach euch sinnvoll
erscheinenden Kriterien systematisch an.
Um auch anderen Wissenschaftlern mit eurer Systematik weiterzuhelfen, gebt ihr sie an einen
Velag; hier den Spielleiter. Findet dieser eure Systematik sinnvoll und entscheidet sich diese
abzudrucken, erhaltet ihr eine Prämie.
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89
A. Anhang
Welche Teilchen können uns Informationen über Quellen im
Weltraum liefern?
Um die Position einer Quelle im Weltall bestimmen zu können, ist es wichtig, dass die
Botenteilchen die Erde ohne Ablenkung auf geradem Weg erreichen. Ein Hindernis dafür sind
kosmische Magnetfelder. In Magnetfeldern können geladene Teilchen abgelenkt werden. Das Ziel
ist also, ein Teilchen zu finden, welches diese Magnetfelder ohne Ablenkung passieren kann.
Ihr findet hier verschiedene stabile Teilchen, die von einer hochenergetischen Quelle ausgesendet
werden, sowie gegebenenfalls Angaben, aus welchen Elementarteilchen diese sich
zusammensetzen.
Überlegt anhand der Teilcheneigenschaften (Hinweis: Schaut auf eure Systematik der letzen
Station!), welches Teilchen sich wohl ohne Ablenkung durch den Weltraum bewegt. Testet das
Teilchen experimentell, indem ihr es auf den roten Quellenpunkt des Welraummodells legt und
seine Flugbahn beobachtet. Testet so viele Teilchen, bis ihr eines findet, das nicht abgelenkt wird
(rote Kuhle).
Die Durchführung eines Experimentes kostet Geld. Legt deshalb anstelle jedes Teilchens, das ihr
aus seiner Kuhle nehmt, eine Münze hinein.
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Das fast unaufhaltbare Neutrino
Ein Teilchen wie das Neutrino wird absorbiert, wenn es mit anderen Teilchen wechselwirkt.
Betrachtet ihr noch einmal die von euch erstellte Teilchensystematik, so besitzt das Neutrino
lediglich die schwächste Wechselwirkung. Dies bedeutet, dass es ein besonders hohes
Durchdringungsvermögen hat, also erst von einer großen Menge eines sehr dichten (viele Teilchen
auf engem Raum) Materials absorbiert werden kann.
Ihr findet hier mehrere Faktenkarten zum Durchdringungsvermögen verschiedener Teilchen in
verschiedenen Materialien. Da das Durchdringungsvermögen auch von der Energie der Teilchen
abhängt, beziehen sich die Angaben gezielt auf eine hohe Energie, wie sie unser Botenneutrino
besitzt. Ihr wisst lediglich von einer der Faktenkarten, dass sie stimmt.
Ordnet die Faktenkarten durch Überlegungen zu den Wechselwirkungseigenschaften der Teilchen
und der Dichte der Materialien in richtig und falsch. Es geht dabei nicht um genaue Berechnungen,
sondern um die Abschätzung von Tendenzen. Bildet dann die Summe der Zahlen auf der Rückseite
der Karten und teilt sie dem Spielleiter mit.
Für die korrekte Summe erhaltet ihr eine Münze, da die Berechnungen, auf die ihr eure weitere
Forschungsarbeit aufbaut, stimmen. Jede falsche Summe führt dagegen zu Fehlkalkulationen und
kostet eine Münze.
!
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90
A. Anhang
Warum werden trotzdem Neutrinos von der Erde absorbiert?
Die vorige Station hat illustriert, dass es 20 mal die Erde aus Blei bräuchte, damit ein einzelnes
Botenneutrino absorbiert würde. Vor dem Hintergrund dieses immensen Durchdringungs-
vermögens eines Neutrinos scheint es unmöglich, dass ein Neutrino mit der Erde wechselwirkt also
absorbiert wird. Dennoch gibt es Experimente die Neutrinos durch ihre Wechselwirkung auf der
Erde nachweisen.
Wie das möglich ist, veranschaulicht nebenstehendes Modell. Es stellt den atomaren Aufbau zum
Beispiel von Wasser, aus welchem ein Großteil der Erdoberfläche besteht, dar. Im Eimer befinden
sich kleine Kügelchen, die Neutrinos symbolisieren.
Stellt euch nun jeweils einen Schritt von dem Modell entfernt, sodass die Hand eueres
ausgestreckten Armes genau über dem Modell ist, und lasst ein „Neutrino“ fallen. Nachdem jedes
Gruppenmitglied an der Reihe war, schüttet nun den ganzen Neutrinoeimer in das Modell. Überlegt
anhand des Modells, warum trotz des extrem großen Durchdringungsvermögens eines Neutrinos
auf der Erde Neutrinos detektiert werden können.
Manchmal gehört in der Wissenschaft auch etwas Glück dazu, eine Entdeckung zu machen. Wer es
schafft, mit einem einzelnen Neutrino einen Atomkern zu treffen, erhält eine Glückspilzmünze.
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Wie genau wechselwirken unsere hochenergetischen
Botenneutrinos mit Materie?
Aufgrund der Vielzahl der Neutrinos, die auf die Erde treffen, können dort Wechselwirkungen
beobachtet werden und Neutrinos werden absorbiert. Erweitert euer Bild von der Absorption und
findet heraus, was bei einer Wechselwirkung passiert.
Die Wechselwirkung unseres hochenergetischen Botenneutrinos wird hier mit Hilfe einer
Minigolfbahn veranschaulicht. Da die Energie die Art der Wechselwirkung beeinflusst, ist das
Modell konkret an die Wechselwirkung unserer hochenergetischen Botenneutrinos angepasst.
Kniet euch hin und schlagt das Neutrino vom Startpunkt zentral auf den Atomkern. Da es sich um
ein hochenergetisches Neutrino handelt, ist es wichtig, dass ihr eurem Neutrino genügend
Schwung mitgebt. Wechselt euch solange ab, bis es einem Gruppenmitglied gelingt, den Atomkern
zentral zu treffen und eine Wechselwirkung zu erzeugen. Die Wechselwirkung erkennt ihr an den
vielen sogenannten Sekundärteilchen, die entstehen. Identifiziert diese und ordnet sie in die
entsprechenden Boxen, um euch klar zu machen, welche Teilchen wir als Produkte dieser
Wechselwirkung erwarten.
Experimente durchzuführen kostet Geld. Für je drei Schläge müsst ihr deshalb eine Münze
bezahlen.
!
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91
A. Anhang
Wie lassen sich die Sekundärteilchen messen?
Eine wichtige Rolle im Messprozess der Sekundärteilchen spielt der Cherenkov-Effekt, der euch
zunächst vielleicht noch viele Fragezeichen aufgibt. Wissen Wissenschaftler nicht weiter oder fällt
es ihnen schwer, ein neues Phänomen zu begreifen, so helfen oft Analogien weiter. Sie betrachten
ähnliche Phänomene oder Prozesse und nutzen die Parallelen, um das neue Phänomen zu
veranschaulichen. So kann in diesem Fall die Betrachtung des Überschallknalls, wie wir ihn zum
Beispiel bei sehr schnellen Düsenjets hören können, helfen, den für die Messmethode
entscheidenden Cherenkov-Effekt zu verstehen.
Dazu stehen euch verschiedene Materialien, wie sie im Internet, in Büchern, wissenschaftlichen
Journals oder Zeitungen zu finden sind, zur Verfügung.
Sucht euch die Materialien aus, die zu eurem Verständnis beitragen. Stellt schließlich die
Parallelen zwischen Überschallknall und Cherenkov-Effekt her, indem ihr den Elementen beim
Überschallknall die Analogien beim Cherenkov-Effekt zuordnet.
Da die von euch hergestellte Analogie auch anderen Menschen beim Verständnis des Cherenkov-
Effekts weiterhelfen kann, erhaltet ihr für je zwei korrekte Zuordnungen einen Budgetzuschuss.
!
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Wie erkenne ich die Myonen, die mich interessieren?
Das Myon als Sekundärteilchen der Wechselwirkung hochenergetischer Neutrinos kann also über
den Lichtkegel des Cherenkov-Effekts gemessen werden. Das Problem ist jedoch, dass Myonen
nicht nur als Produkte der Wechselwirkung von unseren Botenneutrinos in den Detektor
gelangen, sondern auch andere Myonen. Auch diese Myonen erzeugen Cherenkov-Licht und
werden somit detektiert.
Ihr findet hier ein Modell unserer Erde in Kombination mit einer erklärenden Legende. Das Modell
veranschaulicht, aus welchen Richtungen die verschiedenen Myonen den Detektor erreichen
können und welche Energien sie besitzen. Auf der Plane findet ihr die detektierten Myonen als
bunte Pfeile dargestellt. Die Pfeile zeigen dabei die Richtung, die Farben die Energien an. Richtung
und Energie sind die beiden entscheidenden Kriterien, an denen ihr die interessanten Myonen
erkennen könnt.
Entscheidet mit Hilfe des Erdmodells, bei welchen der Myonen es sich um die
Wechselwirkungsprodukte von unseren Botenneutrinos handelt. Wählt zwei Gruppenmitglieder,
die diese mit ihren Händen und Füßen markieren, ohne dabei mit anderen Körperteilen den Boden
zu berühren. Durch geschickte Positionierung sollte sich so ein Buchstabe ergeben. Teilt diesen
Buchstaben dem Spielleiter mit.
Stimmt der Buchstabe, so zeigt dies eine korrekte Modellmessung an und die Spieler erhalten zwei
Münzen. Eine inkorrekte Antwort bedeutet dagegen einen Fehler im Auswertungssystem und
kostet eine Münze.
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92
A. Anhang
Wo ist ein geeigneter Standort für das Experiment?
Neutrinos eignen sich als Botenteilchen aus dem Weltraum und können durch das Licht des
Cherenkov-Effekts auf der Erde theoretisch gemessen werden. Es stellt sich nun die Frage, wo auf
der Erde ein geeigneter Ort für einen Detektor ist, der Cherenkov Strahlung mit Lichtsensoren
messen kann.
Ihr findet verschiedene Eigenschaftskarten, die sich auf das Material, in das die Lichtsensoren zu
bauen sind, beziehen. Einige davon sind hilfreiche Tips, andere führen aber auch in die Irre.
Nutzt die Eigenschaftskarten, um einen geeigneten Standort auszuwählen. Die Spielfiguren helfen
euch während eurer Diskussion den Überblick auf der Weltkarte zu behalten. Letztendlich soll
jedoch die rote Figur eure finale Entscheidung markieren, deren Buchstaben dem Spielleiter
mitzuteilen ist.
Da ein geeigneter Standort, die bestmöglichen Forschungsergebnisse verspricht, erhaltet ihr je
nach erfüllten Eignungskriterien eures Standortes zwischen null und zwei Münzen.
!
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Wie kann der Bau finanziert werden?
Der Bau eines Detektors ist sehr teuer. Als Forschergruppe muss man deshalb immer wieder
Organisationen davon überzeugen, das eigene Forschungsprojekt finanziell zu unterstützen. Oft
entwerfen Forscher dazu Poster, die sie möglichen Förderern so überzeugend wie möglich
präsentieren und dabei die Bedeutung und die Chancen ihres Experimentes betonen.
Ihr findet hier vorgefertigte Texte und Graphiken zur Auswahl. Dabei sind einige fachlich korrekt,
andere enthalten aber auch falsche Informationen. Ebenso sind einige der Matrialien mehr oder
weniger passend.
Entwerft ein fachlich korrektes Poster, indem ihr Materialien auswählt und damit möglichst
überzeugend die Magnetwand gestaltet. Die Konferenz, auf der euer Poster präsentiert wird, findet
nach 70 Minuten Spielzeit statt.
Der Spielleiter entscheidet schließlich als Repräsentant einer Organisation anhand eures Posters,
wie viel ihm euer Forschungsprojekt wert ist.
!
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93
A. Anhang
Kann der Bau unter Extrembedingungen gelingen?
Die Baubedingungen am Südpol sind extrem. Es kann nur während des antarktischen Sommers
von November bis Februar gebaut werden, da es am Südpol sonst den ganzen Tag dunkel ist.
Während es im antarktischen Winter im Durchschnitt um die -73°C sind, schaffen es die
Temperaturen selbst im Sommer selten über -25°C.
Deshalb steht euch im Folgenden zum Bau des Detektors nur eine begrenzte Zeit von fünf Minuten
pro Team bzw. einer Minute pro Spieler zur Verfügung; ihr wechselt euch wie in einer Staffel ab.
Aufgrund der eisigen Temperaturen ist von jedem Spieler, der gerade an der Forschungsstation
arbeitet, eine Schutzausrüstung von Mütze, Schal und Handschuhen zu tragen. Der Bau wird
zentral vom Spielleiter gestartet und gestoppt.
Der Bau einer Forschungsstation, vor allem in dieser Lage ist teuer, deshalb hat jedes Team zu
Baubeginn drei Münzen abzugeben. Kann das Bauprojekt nicht im Rahmen der Zeit fertiggestellt
werden, verursacht dies entsprechende Zusatzkosten
!
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Sind die Messungen mit dem Detektor erfolgreich?
Ist das Forschungszentrum gebaut, kann die erste Messung mit dem Detektor durchgeführt
werden. Hierbei erhält man eine Menge Daten, die Myonendetektionen zugeordnet werden
können. Es gilt also nun, die zuvor überlegten Kriterien zur Ereignisidentifikation anzuwenden
und so die Myonen im Energiebereich der Botenneutrinos mit entsprechender Richtung
herauszufiltern.
Dafür setzt ein Spieler die VR-Brille auf und befindet sich sogleich an der Forschungsstation am
Südpol. Dort wird er virtuell in den Detektor gefahren, wo er die Detektorsignale beobachten kann.
Seine Aufgabe ist es, mit dem Controller die gesuchten Ereignisse auszuwählen.
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Jede Messung kostet Geld, da Energie zum Betrieb des Detektors sowie zur Weiterverarbeitung der
Rohdaten benötigt wird. Damit ihr eine Messung durchführen könnt, müsst ihr deshalb drei
Münzen abgeben.
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94
A. Anhang
A.2. Material fur den Spielleiter
Auswertungsplan fur den Spielleiter
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95
A. Anhang
Anfangsinstruktionen durch den Spielleiter
Spielleiterplan Einführung
Begrüßung und Vorstellung
Zur Einführung ins Thema: Einführungsvideo abspielen
Unsere Forschungsfrage lautet also: „Wie können wir herausfinden, wo im Universum hochenergetische Quellen sind?“
Durchlaufen des Forschungsprozesses in Teams an mehreren Stationen Hinweis: Bitte geht mit Materialien vorsichtig um
Um am Ende eure Forschungsstation bauen und an der VR Brille messen zu können braucht ihr Münzen (Ziel: möglichst viele Messdaten)
Wir bilden Forscherteams ihr zieht dazu Ansteckschilder, gleiche Farben bilden eine Gruppe (Schilder zeigen)
In jeder Gruppe gibt es verschiedene Aufgaben, ihr erkennt an eurem Schild, was eure Aufgabe ist (Anzahl der Schilder an Schülerzahl anpassen):
o Moderator: Achtet bei Diskussionen auf die Einhaltung der Gesprächsregeln und führt einen Konsens herbei.
o Vorleser: Liest die Aufgabenkarte sowie gegebenenfalls Zusatzmaterial an einzelnen Stationen vor. (Aufgabenkarte zeigen)
o Reporter: Teilt eure Ergebnisse dem Spielleiter mit. (Spielleiter vorstellen) o Finanzchef: Achtet auf der Instruktionskarte auf den Abschnitt Geld und
verwaltet eure Münzen. o Zeitmanager: Achtet auf die Einhaltung der Deadline und damit die
Zeiteinteilung pro Station (etwa 7min). o Aufgabenmanager: Achtet darauf, dass sich alle beteiligen und die Gruppe
effektiv arbeitet.
Noch Fragen?
Verweis auf Deadline für Station 9 (Countdown mit 60min auf Beamer öffnen)
Zuteilung der Gruppen nach Farbe zu Parcoursreihen
Schüler Farben ziehen lassen
Startkapital von drei Münzen pro Gruppe verteilen
96
A. Anhang
Musterlosung zu den Faktenkarten
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Myon
Material: Wasser
Durchschnittliches
Durchdringungs-
vermögen:
2,2km
Diese Länge entspricht etwa der Höhe der Zugspitze.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Myon
Material: Wasser
Durchschnittliches
Durchdringungs-
vermögen:
149.000.000km
Diese Länge entspricht etwa dem Abstand zwischen Sonne und Erde.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Proton
Material: Wasser
Durchschnittliches
Durchdringungs-
vermögen:
1,68m
Diese Länge entspricht etwa eurer Körpergröße.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Proton
Material: Wasser
Durchschnittliches
Durchdringung-
vermögen:
57.000.000km
Diese Länge entspricht etwa dem Abstand zwischen Sonne und Merkur.
97
A. Anhang
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Neutrino
Material: Luft
Durchschnittliches
Durchdringungs-
vermögen:
2.525.000.000
km
Diese Länge entspricht etwa dem Abstand zwischen Sonne und Uranus.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Neutrino
Material: Luft
Durchschnittliches
Durchdringungs-
vermögen:
850m
Diese Länge entspricht etwa der Höhe
des Burj Khalifa, des höchsten Gebäudes
der Welt.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Neutrino
Material: Blei
Durchschnittliches
Durchdringungs-
vermögen:
228.000.000km
Diese Länge entspricht etwa dem Abstand
zwischen Sonne und Mars.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Neutrino
Material: Blei
Durchschnittliches
Durchdringungs-
vermögen:
268.000km
Diese Länge entspricht etwa 20-mal dem Durchmesser der Erde.
98
A. Anhang
Musterlosung zur Cherenkov Analogie
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99
A. Anhang
Musterlosung zur Pfeilsuche
100
A. Anhang
A.3. Spielanleitung
1 Einführungsvideo: Forschungsfrage
Physik Was befindet sich eigentlich in den Weiten des Weltalls? Genau damit beschäftigt sich die Astrophysik. Forscher können auf der Erde hochenergetische Teilchen nachweisen, die von besonderen Quellen im Universum stammen. Diese Quellen senden auch Licht in hohen Energiebereichen aus, das aber auf dem Weg zur Erde absorbiert wird. Um diese Quellen zu erforschen nutzen Physiker andere Botenteilchen.
Material
Video Laptop Beamer Leinwand
Lautsprecher Münzen Rollenkarten Spielleiterplan
Aufbau
Die Materialien sind so aufzubauen, dass das Video auf der Leinwand für alle Spieler gut sichtbar ist.
Geld (Spielleiter) Rollenkarten
101
A. Anhang
Ablauf Video abspielen Forschungsfrage nochmal sagen Instruktionen des Spielleiterplans
vorstellen Gruppeneinteilung durch Ziehen der
Rollenkarten
Auswertung Jedes Team erhält als Startkapital 3 Münzen.
Zeit 10min
102
A. Anhang
2 Teilchenpuzzle: Standardmodell
Physik
Die Spieler lernen die Teilchen des Standardmodells der Elementarteilchen und einige ihrer Eigenschaften kennen und versuchen diese zu systematisieren.
Material Teilchenpuzzle (Standardmodell) Legende Legekasten Aufgabenkarte
Aufbau
Die Puzzleteilchen sind unsystematisch auf dem Tablett zu verteilen. Links von der Station ist, wie bei allen weiteren Stationen auch, die Aufgabenkarte zu platzieren; die Legende in der rechten oberen Ecke.
103
A. Anhang
Ablauf Die Spieler sollen die Teilchen systematisch nach ihren Eigenschaften anordnen. Haben sie die Teilchen fertig angeordnet, bringen sie das Tablett mit dem Standardmodell zum Spielleiter.
Auswertung Für jedes erfüllte Kriterium erhalten die Spieler eine Münze: - Ruhemasse - Ladung - Wechselwirkung
Zeit 5 min
104
A. Anhang
3 Magnetbrett: Teilchenablenkung in kosmischen Magnetfeldern
Physik
Die Schüler lernen, dass um die Position einer Quelle im Weltall bestimmen zu können, es wichtig ist, dass die Botenteilchen die Erde ohne Ablenkung auf geradem Weg erreichen. Sie erfahren, dass ein Hindernis dafür kosmische Magnetfelder sind, in denen geladene Teilchen abgelenkt werden.
Material Magnetbrett Unterschiedliche Kugeln als „Botschafter aus dem Weltall“ in Halterung Aufgabenkarte
Aufbau
Das Magnetbrett und die Leiste mit den unterschiedlichen Teilchen aus dem Weltall sind auf dem Tisch zu platzieren. Vor jeder Durchführung des Parcours müssen die Magnetbretter mit Hilfe der verstellbaren Füße und Unterlegstücken aus Holz so kalibriert werden, dass die Neutrinokugel gerade in die rote Kuhle rollt.
105
A. Anhang
Ablauf Die Spieler sollen, unterstützt durch ihr selbst angeordnetes Standardmodell, herausfinden, welches Teilchen sich am besten eignet, um Informationen über Quellen im Weltraum zu erhalten. Dafür betrachten sie die Flugbahnen der Teilchen, indem sie die Kugeln über das Magnetbrett rollen lassen.
Auswertung Das Testen eines Teilchens kostet wie ein reales Experiment Geld. So müssen die Spieler, wenn sie ein Teilchen aus der Vorrichtung nehmen, eine Münze hineinlegen. Die Eignung der Teilchen zeigt sich an ihrem Auftreffpunkt am Ende des Magnetbretts.
Zeit 5min
106
A. Anhang
4 Faktenkarten: Durchdringungsvermögen
Physik Die Spieler lernen die Durchdringungstiefe von Neutrinos und anderen Teilchen in unterschiedlichen Materialien kennen. Alle Angaben beziehen sich auf den gleichen, sehr hohen Energiebereich. Die Spieler erfahren, dass Neutrinos ein besonderes hohes Durchdringungsvermögen haben.
Material Faktenkarten Spielplan (richtig/falsch) Aufgabenkarte
Aufbau
Die Faktenkarten werden durcheinander um den Spielplan herum gelegt. Die grün umrandete Karte ist als Startkarte auf der Richtig-Seite zu platzieren.
107
A. Anhang
Ablauf Die Spieler sollen durch Größer-Kleiner-Abwägungen herausfinden, welche der Faktenkarten korrekt sind. Haben sie über alle Faktenkarten entschieden, drehen sie die richtigen Faktenkarten um und bilden aus den Zahlen auf deren Rückseite eine Summe.
Auswertung Für die korrekte Summe erhält die Gruppe eine Münze, da ihre Berechnungen, auf die sie ihre weitere Forschungsarbeit aufbauen, stimmen.
Zeit 10 min
108
A. Anhang
5 Materiemodell: Notwendigkeit der Vielzahl der Neutrinos
Physik
Die Spieler erfahren, dass viele hochenergetische Neutrinos aus dem All kommen. Obwohl Neutrinos sehr selten mit Materie interagieren, sind Interaktionen deshalb trotzdem beobachtbar.
Material Materiemodell Eimer mit Styroporkügelchen Aufgabenkarte
Aufbau
Das Materiemodell (die Plastikkiste) befindet sich auf dem Boden. Die Styroporkügelchen werden in den „Neutrinoeimer“ geschüttet und der Eimer neben das Modell gestellt.
109
A. Anhang
Ablauf Jeder Spieler versucht im Stehen mit ausgestrecktem Arm ein Styroporkügelchen so zu werfen, dass es ein Atom trifft, also im Fingerhut aufgefangen wird. Danach schütten die Spieler den gesamten Eimer auf das Modell. Der experimentelle Aufbau des IceCube Experiments funktioniert, da sehr viele Neutrinos die Erde erreichen.
Auswertung Trifft ein Spieler mit viel Glück einen Fingerhut mit einem einzelnen Styroporkügelchen erhält er eine Münze.
Zeit
5 min
110
A. Anhang
6 Minigolf: Entstehung von Sekundärteilchen
Physik Die Spieler erfahren, dass, wenn Neutrinos mit Teilchen der Erde interagieren, Teilchenschauer entstehen. Es wird exemplarisch eine Art der Wechselwirkung gezeigt.
Material Holzbanden Streuvorrichtung Atomkernhalbkugel Klebepunkt Metallkugel
2 Holzkistchen Perlen passend zu Holzkistchen Miniminigolfschläge Aufgabenkarte
Aufbau
Die Minigolfbahn wird auf dem Boden aufge-baut. Am Ende der Bahn wird die hölzerne Streuvorrichtung aufgestellt, sodass die breite Öffnung nach hinten zeigt. Die Perlen werden in die Vorrichtung gelegt. Die Atomkernhalbkugel wird so auf die Vorrichtung gesetzt, dass die Öffnungen der Halbkugel auf den Öffnungen der Vorrichtung liegen. Der Startpunkt wird mit einem Klebepunkt markiert und das Neutrino darauf platziert. Der Schläger wird daneben platziert. Die beiden zusammengehörigen Holz-kistchen werden hinter der Bahn aufgestellt.
111
A. Anhang
Ablauf
Die Spieler versuchen abwechselnd das Neutrino auf den Atomkern zu schießen. Treffen sie, so entspricht dies der Wechselwirkung eines Neutrinos im Material und Sekundärteilchen entstehen. Diese sind zu identifizieren, indem sie in die richtigen Behälter eingeordnet werden.
Auswertung Drei Schläge kosten wie die Durchführung jedes Experimentes Geld; hier entspricht dies einer Münze.
Zeit 5 min
112
A. Anhang
7 Materialsammlung: Cherenkov-Effekt
Physik Die Spieler lernen die Physik des Überschallknalls kennen. Sie stellen eine Analogie zur Cherenkov Strahlung her, die die Sekundärteilchen erzeugen.
Material Analogiegrafik Analogiekarten Laptop mit Video Comic
Schulbuchauszug Bilder und Grafiken Lexikonartikel Aufgabenkarte
Aufbau
Die Analogiekärtchen mit Klett werden durcheinander auf der Vorlage verteilt und die Vorlage neben die Aufgabenkarte platziert. Die anderen Materialien werden auf dem Tisch verteilt. Der Laptop ist dabei so einzurichten, dass das Video mit einem Klick auf Play direkt gestartet werden kann.
113
A. Anhang
Ablauf Die Spieler sollen letztendlich die analogen Begriffe des Cherenkov-Effekts der Grafik zum Überschallknall zuordnen. Um die Analogie herzustellen, stehen ihnen verschiedene Materialien zur Verfügung. Die einzelnen Spieler setzen sich also mit unterschiedlichen Materialien auseinander und sollen im kommunikativen Austausch gemeinsam eine Lösung finden.
Auswertung Da die hergestellte Analogie auch anderen Menschen hilft den Cherenkov-Effekt zu verstehen, erhalten die Spieler pro korrekter Zuordnung eine Münze.
Zeit 10 min
114
A. Anhang
8 Pfeilsuche: Ereignisse und Untergrund
Physik
Die Spieler lernen, dass Myonen unterschiedlichsten Ursprungs in den Detektor gelangen. Die Myonen als Sekundärteilchen der gesuchten Botenneutrinos können dabei durch Energie und Richtung von den anderen Myonen unterschieden werden.
Material Erdmodell (3D) Erdgrafik (2D) Legende Plane mit Pfeilen Aufgabenkarte
Aufbau
Die Plane ist auf dem Boden auszubreiten und das Erdmodell auf einem daneben befindlichen Tisch zu platzieren, ebenso wie die Legende und die Tippkarte mit dem zweidimensionalen Modell.
115
A. Anhang
Ablauf Die Spieler sollen die Pfeile identifizieren, die den gesuchten Ereignissen entsprechen, also Sekundärmyonen der Botenneutrinos sind. Dabei hilft ein Erdmodell, welches den Ursprung sowie Energie- und Richtungseigenschaft der eindringenden Teilchen veranschaulicht. Die Schüler stellen sich so auf die richtigen Felder, dass sie mit ihren Körpern einen Buchstaben bilden und teilen den Buchstaben dem Spielleiter mit. Richtig sind die Buchstaben W, M und X.
Auswertung Jedes korrekt identifizierte Ereignis stellt eine erfolgreiche Modellmessung dar und die Spieler erhalten eine Münze. Jedes inkorrekt klassifizierte Ereignis bedeutet einen Fehler im Messsystem und kostet eine Münze.
Zeit 10 min
116
A. Anhang
9 Standortsuche
Physik
Die Spieler kombinieren aus dem im Spiel erlangten Wissen, dass der Detektor ein sehr großes Volumen haben und durchsichtig für Licht sein muss. Sie finden den dafür bestmöglichen Ort auf einer Weltkarte.
Material Weltkarte 1 rote und 2 andersfarbige Spielfiguren Eigenschaftskarten Aufgabenkarte
Aufbau
Die Eigenschaftskarten werden um die Weltkarte herum auf den Tisch gelegt und die Spielfiguren in einer Ecke der Weltkarte platziert.
117
A. Anhang
Ablauf Die Spieler sollen einen geeigneten Standort für ihr Experiment auswählen. Dazu stehen ihnen sowohl richtige als auch falsche Eigenschafts-karten, die die Bedingungen an das Detektor-material beschreiben, zur Verfügung. Die Spieler sollen die verschiedenen Gesichtspunkte abwägen und schließlich ihre Spielfigur auf dem ihnen am geeignetsten erscheinenden Standort platzieren. Der Buchstabe neben der Figur ist dann dem Spielleiter mitzuteilen.
Auswertung Da ein geeigneter Standort von gemäßigten Kosten sowie bestmöglichsten Experimentier-bedingungen, was sich später in den Forschungsergebnissen zeigt, gekennzeichnet sein sollte, erhalten die Spieler je nach Eignung ihres Standortes Münzen:
- 2 Münzen: Südpol/Eis (F) - 1 Münze: Fluss (B+D)
Zeit 5min
118
A. Anhang
10 Finanzierung
Physik
Die Spieler veranschaulichen ihr Forschungsziel und den dazugehörigen experimentellen Aufbau. Dabei steht das Verständnis des Gesamtzusammenhangs der einzelnen Forschungsschritte im Vordergrund. Zudem erfahren sie etwas über die Finanzierung von Forschungsprojekten und die Öffentlichkeitsarbeit durch Poster.
Material Magnetwand Magnetische Text- und Grafikkarten Aufgabenkarte
Aufbau
Die Magnetwand mit allen Grafiken und Texten daran wird gegen einen Tisch oder Wand gestellt und die Aufgabenkarte davorgelegt. Es ist darauf zu achten, dass die Bilder, auf denen die Antarktis zu sehen ist, hinter anderen Texten oder Bildern platziert werden.
119
A. Anhang
Ablauf Die Spieler sollen ein sinnvoll gegliedertes, einfach verständliches, anschauliches Poster zum Werben finanzieller Fördermittel für ihr Forschungsprojekt gestalten. Dafür stehen ihnen falsche und richtige sowie relevante und irrelevante Texte und Grafiken zur Verfügung, aus denen sie geschickt auswählen müssen.
Auswertung Die Spieler erhalten für das Erfüllen der folgenden Kategorien jeweils eine Münze:
Die Hintergrundfarben der Texte und Bilder zeigen an, ob sie richtig, falsch oder irrelevant sind.
Zeit 10min
120
A. Anhang
11 Bau des Forschungszentrums
Physik
Die Spieler erkennen, dass der Bau eines Detektors am Südpol aufgrund der klimatischen Verhältnisse schwierig ist und nur in einem kurzen Zeitraum im antarktischen Sommer stattfinden kann.
Material Legoset Bauanleitung Winterausrüstung: Mütze, Schal, Handschuhe Stoppuhr im Computer auf Beamer
Aufbau
Das Legoset (unaufgebaut), die Bauanleitung und die Wintersachen werden auf einem Tisch einige Meter hinter der Posterstation platziert.
121
A. Anhang
Ablauf
Die Spieler sollen die IceCube-Station unter realen Baubedingungen errichten. Dies bedeutet, dass sie sich mit entsprechender Winterausrüstung vor der Kälte schützen müssen und ihnen auf Grund der Kürze des antarktischen Sommers nur wenig Zeit zur Verfügung steht. In einem Staffelformat hat jeder Spieler eine Minute Zeit seine Ausrüstung anzulegen und mit Hilfe der Anleitung an der Station zu bauen, danach wird gewechselt. Alle Gruppen führen diese Station synchron durch.
Auswertung Für die Baukosten müssen alle Teams zunächst drei Münzen bezahlen. Gelingt es den Spielern nicht die Station zu vollenden, kommen im nächsten antarktischen Sommer erneut Baukosten auf sie zu und zwar je 1 Münze pro 10 übriger Teile.
Zeit 5min
122
A. Anhang
12 VR-Brille: Messzeit
Physik
Die Spieler können in die virtuelle Nachbildung des IceCube-Detektors schauen und Teilchen messen.
Material Computer VR-Brille und Sensoren IceCube VR Spiel
Aufbau
Die VR-Brille und die zugehörige Ausrüstung sind an einem zentralen Tisch spielbereit aufzubauen. Es empfiehlt sich die Sensoren mit Kreppband am Tisch zu befestigen, um eine Verrutschen oder Umfallen zu verhindern.
123
A. Anhang
Ablauf Die Spieler sollen bei der Messung im virtuellen Detektor die gewünschten Ereignisse auswählen. Dazu klicken sie mit dem Kontroller die Ereignisse an. Ist die Messzeit abgelaufen, erhalten sie ihr Ergebnis. Die Teams können so viele Messungen durchführen, wie sie Geld erspielt haben.
Auswertung Eine Messung kostet in der Regel drei Münzen. Haben die Schüler allgemein sehr wenige Münzen erspielt, kann dies jedoch flexibel angepasst werden.
Zeit 10min
124
A. Anhang
A.4. Material zu den einzelnen Stationen
Station 1: Einfuhrungsvideo
Text Einleitungsvideo Die Weiten des Universums. Bereits seit tausenden von Jahren schauen die Menschen fasziniert in den Nachthimmel und versuchen zu ergründen, was sich dort verbirgt. Schon die alten Griechen zeichneten Stern- und Planetenbewegungen auf. Die Entwicklung des Fernrohrs vor 400 Jahren revolutionierte die Erforschung des Universums. Sie ermöglichte die Entdeckung zahlreicher Planeten und Sterne und veränderte das Weltbild der Menschen für immer. Doch auch heute gibt uns das Universum noch viele Rätsel auf. So können Wissenschaftler Teilchen aus fernen Galaxien auf der Erde messen, die Hinweise auf die Existenz hochenergetischer Quellen geben. Doch wir wissen kaum, wo und was die Quellen dieser Teilchen sind. Zur Beobachtung von Himmelskörpern gibt es heute eine Vielzahl an technischen Möglichkeiten. Neben sichtbarem Licht nutzen Wissenschaftler dabei auch andere Strahlungsarten, die von verschiedenen Quellen im Universum ausgesendet werden. Die Informationen, die die Wissenschaftler so vom Weltraum erhalten, hängen dabei von der Art der gemessenen Strahlung ab. Ihre Messung liefert Hinweise auf Ort und Beschaffenheit der Quellen. Die unterschiedlichen Informationen, die verschiedene Arten von Strahlung übermitteln, werden beispielhaft an unserer Sonne veranschaulicht: Im Alltag liefern uns Infrarotkameras Wärmebilder von Häusern und Menschen. Auf vergleichbare Weise erstellen Infrarotdetektoren Bilder des Universums. Mit Hilfe der Infrarotstrahlung können sie Quellen, wie der Sonne, Temperaturen zuordnen. Natürlich erreicht uns von der Sonne auch sichtbares Licht. Wir können die Sonne auf die gleiche Art sehen, wie wir auch unsere Mitmenschen im Alltag wahrnehmen. Schließlich senden manche Quellen im Weltraum, anders als Objekte aus unserem Alltag, auch verschiedene kleinen Teilchen aus. Diese Teilchen können uns Aufschluss über das Innerste ihrer Quelle geben. Durch sie wissen wir zum Beispiel über die Kernfusion im Inneren der Sonne. Wollen wir jedoch die hochenergetischen Quellen jenseits unserer Galaxie erforschen, so haben wir kein vollständiges Informationsbild wie bei der Sonne. Zwar senden auch sie verschiedene Strahlungsarten aus, doch wird ein Teil dieser auf dem weiten Weg durch das Universum absorbiert. Uns erreicht vor allem sichtbares Licht, welches nicht vom Licht normaler Sterne unterschieden werden kann. Wir wissen also nicht, welche der Lichtquellen eine der besonderen hochenergetischen Quellen ist. Hier kommen die Teilchen ins Spiel, die uns auch von solchen Quellen erreichen. Die Frage ist: Gibt es unter Ihnen potentielle Botenteilchen, die uns wichtige Informationen über die unbekannten hochenergetischen Quellen liefern können? Damit sich Teilchen als Botenteilchen dieser hochenergetischen Quellen eignen, müssen sie drei Bedingungen erfüllen:
1. Sie dürfen auf ihrem Weg durchs Universum nicht absorbiert werden. 2. Sie dürfen auf ihrem Weg durchs Universum nicht abgelenkt werden, da sonst die
Richtungsinformation verloren geht und das Teilchen keiner Quelle mehr zugeordnet werden kann.
3. Sie müssen auf der Erde gemessen werden können.
Hier seid ihr als Forscherteams gefragt. Gemeinsam erarbeitet ihr die physikalischen Grundlagen, experimentiert, kämpft um Fördergelder, baut eure Forschungsstation und führt schließlich die erste Messung als Virtual Reality Experiment an der IceCube-Forschungsstation durch. Natürlich geht es auch um Zeit und Geld: Jedes Team erhält ein Startkapital. Während des Forschungsprozesses kann Geld dazugewonnen aber auch ausgegeben werden. Schließlich muss nach 70 Minuten eure Forschungsidee im finalen Werben um Fördermittel präsentationsbereit sein. Am Ende entscheidet das Geld, ob die Forschungsstation von euch fertiggestellt und wie viele Messungen durchgeführt werden können. Viel Erfolg!
125
A. Anhang
Station 2: Legende zum Standardmodell
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126
A. Anhang
Station 4: Faktenkarten
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Myon
Material: Wasser
Durchschnittliches Durchdringungs-vermögen:
2,2km
Diese Länge entspricht etwa der Höhe der Zugspitze.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Proton
Material: Wasser
Durchschnittliches Durchdringungs-vermögen:
1,68m
Diese Länge entspricht etwa eurer Körpergröße.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Neutrino
Material: Blei
Durchschnittliches Durchdringungs-vermögen:
268.000km
Diese Länge entspricht etwa 20-mal dem Durchmesser der Erde.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Neutrino
Material: Luft
Durchschnittliches Durchdringungs-vermögen:
2.525.000.000km
Diese Länge entspricht etwa dem Abstand zwischen Sonne und Uranus.
127
A. Anhang
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Myon
Material: Wasser
Durchschnittliches Durchdringungs-vermögen:
149.000.000km
Diese Länge entspricht etwa dem Abstand zwischen Sonne und Erde.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Proton
Material: Wasser
Durchschnittliches Durchdringung-vermögen:
57.000.000km
Diese Länge entspricht etwa dem Abstand zwischen Sonne und Merkur.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Neutrino
Material: Blei
Durchschnittliches Durchdringungs-vermögen:
228.000.000km
Diese Länge entspricht etwa dem Abstand zwischen Sonne und Mars.
Richtig oder Falsch?
Teilchen: Neutrino
Material: Luft
Durchschnittliches Durchdringungs-vermögen:
850m
Diese Länge entspricht etwa der Höhe des Burj Khalifa, des höchsten Gebäudes der Welt.
128
A. Anhang
Station 5: Legende Materiemodell
Atomkern
Großer Abstand zwischen ein-
zelnen Atomkernen, da die wei-
testgehend leere Atomhülle im
Vergleich zum Kern ein wesent-
lich größeres Volumen besitzt.
Das Modell vernachlässigt Elekt-
ronen, da eine Wechselwirkung
der hochenergetischen Neutri-
nos mit Elektronen sehr un-
wahrscheinlich ist.
Atomkern
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Das Modell vernachlässigt Elekt-
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wahrscheinlich ist.
129
A. Anhang
Station 7: Cherenkov Analogievorlage und Materialien
Cherenkov radiation, light produced by charged particles when they pass through an optically transparent medium at speeds greater than the speed of light in that medium. Devices sensitive to this particular form of radiation, called Cherenkov detectors, have been used extensively to detect the presence of charged subatomic particles moving at high velocities.
Cherenkov radiation emitted by the core of the Reed Research Reactor located at Reed College in Portland, Oregon, U.S.United States Nuclear Regulatory Commission Cherenkov radiation, when it is intense, appears as a weak bluish white glow in the pools of water shielding some nuclear reactors. The Cherenkov radiation in cases such as this is caused by electrons from the reactor traveling at speeds greater than the speed of light in water, which is 75 percent of the speed of light in a vacuum. The energetic charged particle traveling through the medium displaces electrons in some of the atoms along its path. The electromagnetic radiation that is emitted by the displaced atomic electrons
combines to form a strong electromagnetic wave analogous to the bow wave caused by a power boat traveling faster than the speed of water waves or to the shock wave (sonic boom) produced by an airplane traveling faster than the speed of sound in air. The phenomenon was discovered by the Soviet physicist Pavel A. Cherenkov in 1934 and was explained by Ilya M. Frank and Igor Y. Tamm in 1937. QUELLE: https://www.britannica.com/science/Cherenkov-radiation WRITTEN BY: The Editors of Encyclopaedia Britannica LAST UPDATED: 2-8-2018
ALTERNATIVE TITLE: Cherenkov light
132
A. Anhang
Schallmauer
Schallmauer, Bezeichnung für die Druckwelle, die entsteht, wenn die Geschwindigkeit einer bewegten Schallquelle die Schallgeschwindigkeit überschreitet (siehe Abb. 1). Das Durchbrechen dieser ›Schallmauer‹ wird in einem lauten Knall, dem Überschallknall (Geschoßknall) hörbar. Die bei Überschallgeschwindigkeit stark komprimierte Luft dehnt sich dabei hinter der Schallquelle explosionsartig aus. Besonders bekannt ist dieses Phänomen bei Flugkörpern. In feuchter, wasserdampfgesättigter Luft kann dort durch die Schockwelle sogar Wasser auskondensieren – eine Wolke entsteht (siehe Abb. 2).
Schallmauer 1: Entstehung einer Schall-mauer. a) Eine ruhende Schallquelle (z.B. Flug-körper) sendet Kugelwellen aus, deren Maxima überall den gleichen Abstand zum nächstfolgenden Maximum haben. b) Bewegt sich die Schallquelle, drängen sich die Maxima vor der Quelle in Bewegungsrichtung zu-sammen und rücken da-hinter voneinander ab. c) Dieser Prozeß verstärkt
sich bei steigender Geschwindigkeit, die Schallquelle nähert sich den komprimierten Maxima. Beim Erreichen der Schallgeschwindigkeit entsteht eine einzige Druckwelle, die Schallmauer. d) Bei weiterer Erhöhung der Geschwindigkeit durchbricht die Schallquelle die Schallmauer mit einem Knall. Die einzelnen kugelförmigen Druckwellen werden von dem sog. Machschen Kegel eingehüllt. an dessen Spitze sich die Schallquelle befindet.
Schallmauer 2: Sichtbares Durchbrechen der Schall-mauer. (Photo: AP)
Die hochenergetischen (blau) Botenneutrinos durchque-ren die Atmosphäre und wechselwirken im Erdinneren. Bei der Wechselwirkung entstehen eine Vielzahl von Teil-chen, unter anderem Myonen. Die Energie des Neutrinos teilt sich auf die entstehenden Teilchen auf. Ein einzelnes Myon hat deshalb eine geringere Energie (rot) als das Botenneutrino haben.
Auf die Erde treffen auch Protonen aus hochenergetischen (blau) Quellen, die auf ihrem Weg durchs Universum je-doch ihre Richtungsinformation verloren haben und als Botenteilchen deshalb ungeeignet sind. Sie wechselwirken mit Molekülen in der Atmosphäre und können dabei un-ter anderem Neutrinos erzeugen. Diese atmosphärischen Neutrinos haben eine geringere Energie (rot) als unsere Botenneutrinos. Dennoch können auch die atmosphäri-schen Neutrinos auf ihrem Weg durch die Erde Myonen erzeugen, welche entsprechend eine geringere Energie (orange) als die von den Botenneutrinos erzeugten Myo-nen besitzen.
In der Erdatmosphäre wechselwirken die verschiedenen Teilchen aus dem Universum mit den dort vorhandenen Molekülen. Bei vielen dieser Wechselwirkungen entstehen auch Myonen, die verschiedene Energien (rot/gelb) besit-zen können. Die Myonen können im Gegensatz zu den Neutrinos die Erde nicht durchdringen, sondern werden nach wenigen Kilometern absorbiert. Aus diesem Grund können sie immer nur von der Erdoberfläche aus in den Detektor treffen. Diese Richtungseigenschaft nutzt man, um sie von den Myonen der Botenneutrinos zu unter-scheiden.
Überlegt, welche Energie (Farbe) unsere von den Botenneutrinos erzeugten Myonen be-
sitzen. Die „interessanten“ Myonen (Pfeile) auf der Plane, müssen also als ein Entschei-
dungskriterium diese Farbe haben.
Überlegt, welche Richtungen (Pfeilrichtung) diese „interessanten“ Myonen besitzen kön-
nen. Mit welchem Richtungskriterium kann eine Verwechslung mit den Myonen aus der
Erdatmosphäre ausgeschlossen werden?
Höchste Teilchenenergie
Niedrigste Teilchenenergie
Myon
Myon
Myon
136
A. Anhang
Station 9: Spielfeld zur Standortsuche
A
BC
F
G
J
K
I
EH
D
L
137
A. Anhang
Station 10: Materialien zum Poster
Das Roald-Amundson Proton Observatorium
138
A. Anhang
Elementarteilchen
Die kleinsten bekannten Teilchen sind die Elementar-teilchen. Es gibt 12 Elementarteilchen. Die Elementar-teilchen kö nnen auf unterschiedliche Arten miteinan-der wechselwirken. Sta rkste Wechselwirkung: starke Wechselwirkung. Mittelstarke Wechselwirkung: elektrömagnetische Wechselwirkung
Das IceCube Experiment ist ein größer Teilchenbe-schleuniger am Nördpöl. Es beschleunigt Neutrinös auf höhe Energien. Die Neutrinös wechselwirken dann mit den Eisatömen und kö nnen dadurch untersucht wer-den. Damit die Neutrinös schnell genug werden, um eine ausreichende Energie zur Wechselwirkung zu ha-ben, muss der Detektör sehr größ sein.
Neutrinos
weniger gut geeignet, da zu klein
Elektron, Myon
ungeeignet, da in Asteroidenfeldern abgelenkt
Proton, Kern
wegen großer Masse gut geeignet
Welche Teilchen sind geeignet, Informationen
über hochenergetische Quellen zu übermitteln?
Die Entstehung des Universums
Die meisten Wissenschaftler gehen davön aus, dass das Universum etwa 14 Milliarden Jahre alt ist.
Zu dieser Zeit entstand aus einer unvörstellbar kleinen Blase das gesamte Universum. Im Bruchteil einer Se-kunde dehnte sich das Universum auf ein Völumen aus, das grö ßer ist als unsere Galaxie und wuchs mit ext-rem höher Geschwindigkeit weiter an. Das Universum dehnt sich bis heute aus.
139
A. Anhang
Die Antarktis
Die Antarktis umfasst die Land- und Meeresgebiete, die um den Su dpöl liegen. Umgangssprachlich be-zeichnet Antarktis auch öft den Köntinent Antarktika. Er ist nahezu völlsta ndig vöm antarktischen Eisschild bedeckt. Der antarktische Eisschild ist die grö ßte Eis-wu ste der Erde. Rund 90% des irdischen Eises und 70% des Su ßwassers der Erde befinden sich im bis zu 4500m dicken Eisschild. In der Antarktis herrschen extreme klimatische Bedingungen. Sie ist der ka ltetes-te Köntinent der Erde. In der Antarktis wurde die tiefs-te jemals auf der Erde in der freien Natur gemessene Temperatur gemessen, sie betrug −89,2 °C. Nieder-schla ge fallen in der Antarktis in der Regel in Förm vön Schnee. Im Jahresdurchschnitt sind das allerdings nur etwa 40l/m2. Nach der ga ngigen Niederschlagsdefini-tiön ist die Antarktis deshalb eine Wu ste.
Erwartete Erkenntnisse
• Auskunft u ber die Masse und Energie des Prötöns • Aufbau um weitere Förschungsfragen rund um Elementarteilchen und das Universum erweiterbar
140
A. Anhang
Das IceCube Neutrino Observatorium
Erwartete Erkenntnisse
• Auskunft u ber Ort und Energie der höchenergeti-schen Quellen
• Detektör registriert auch Teilchen anderer Quellen, wödurch Införmatiönen z.B. u ber Sternexplösiönen gewönnen werden kö nnen.
?
141
A. Anhang
Neutrinos
geignet
Elektron, Myon
weniger geeignet wegen Ablenkung im Magnetfeld
Proton, Kern
weniger geeignet wegen Ablenkung im Magnetfeld
Welche Teilchen sind geeignet, Informationen
über hochenergetische Quellen zu übermitteln?
Cherenkov Strahlung Cherenköv Strahlung entsteht, wenn sich ein gelade-nes Teilchen schneller durch ein Medium ausbreitet, als Licht sich in diesem Medium ausbreitet. Vergleich-bar zum U berschallknall verursacht das geladene Teil-chen einen Lichtkegel.
Eigenschaft Neutrino Vor-/Nachteil als Boten-
teilchen
Teilchenart Elementarteilchen -
Ladung keine
Vörteil: Wird auf dem
Weg durch das Weltall nicht vön Magnetfeldern
abgelenkt
Wechselwirkung schwach
Nachteil: höhes Durch-
dringungsvermö gen, schwer messbar
142
A. Anhang
Station 11: Lego
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143
A. Anhang
A.5. EvaluationsbogenIC
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A. Anhang
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A. Anhang
A.6. Ausschreibung des Lernparcours
Lernparcours zum IceCube Neutrino Detektor Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Motivation:
Auf Grund ihrer Komplexität werden Themen der modernen Physik wie Elementarteilchen- und
Astrophysik in der Schule leider eher sehr selten und wenn oft anhand historischer Versuche
behandelt. Der IceCube Detektor ist nicht nur der größte Neutrino Detektor der Welt, sondern auch
Neutrino Teleskop von extremer Reichweite. Der Lernparcours bricht mit Hilfe von Analogien,
Modellen und Visualisierungen die Komplexität des Detektors und der dahinterstehenden
Astrophysik auf ein für Schülerinnen und Schüler ohne Vorkenntnisse verständliches Niveau herunter
und bietet damit die Möglichkeit aktuelle physikalische Forschung kennenzulernen.
Geförderte Kompetenzen und Lernziele:
Einblick in die aktuelle Forschungsarbeit von Physikern
Einblick in die Astroteilchenphysik (Standardmodell der Elementarteilchen, Messprozesse:
Cherenkov-Strahlung und Photomultiplier)
Wege der Erkenntnisgewinnung am Beispiel des Forschungsprozesses kennenlernen
Kooperatives Arbeiten
Problemlösefähigkeiten
Kreativität und Geschicklichkeit
Sensibilisierung für die Notwendigkeit der finanziellen Förderung von Forschung und
Wissenschaft
Methode:
Die Schülerinnen und Schüler vollziehen selbst den Forschungsprozess von der initialen
Forschungsfrage bis hin zur ersten Messung am virtuellen IceCube Detektor.
Ausgangspunkt bildet der Blick in den Weltraum, ein für Schüler oft besonders motivierender
Kontext, und die Frage, was es dort über das Sichtbare hinaus zu entdecken gibt. Die Schülerinnen
und Schüler entwickeln dann spielerisch geleitet den experimentellen Aufbau des IceCube Detektors.
Dabei wird auch die finanzielle Seite beleuchtet und schließlich der Detektor modellhaft gebaut und
die erste Messung am Südpol im Rahmen eines Virtual Reality Spiels mit einer VR-Brille durchgeführt.
Der Parcours besteht aus 12 Stationen an den die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen von
etwa 5 Personen spielerische Aufgaben lösen und dabei sowohl Geld dazugewinnen als auch
verlieren können. Das erspielte Geld entscheidet dann, wie viele „Messungen“ im virtuellen Detektor
sich eine Gruppe leisten kann.
Die Stationen variieren von der Suche nach einem geeigneten Botschafterteilchen mit Hilfe eines
Magnetbrettmodells über die geschickte Gestaltung eines Posters im Werben um wissenschaftliche
Fördermittel bis hin zum Detektorbau als Actionspiel.
Organisatorisches:
Wer? Klassenstufe 7-13 (Da keine Vorkenntnisse über Teilchen- oder Astrophysik
vorausgesetzt werden und der Parcours Möglichkeiten zur Differenzierung bietet)
Wo? Aus Platzgründen in Ihrer Aula/Turnhalle/Foyer….
Dauer? 90min
Kosten? Keine
146
A. Anhang
A.7. Zuordnung der Textabschnitte
147
A. Anhang
1. Einleitung Arent
2. Physikalischer Rahmen des Lernparcours Schneider
2.1. Einführung in die Astronomie und Astroteilchenphysik Arent
2.1.1. Astrophysik Schneider
2.1.2. Astroteilchenphysik Arent
2.2. Standardmodell der Elementarteilchen Schneider
2.3. Kosmische Strahlung Arent
2.4. Einführung in die Neutrinoastronomie Schneider
2.4.1. Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie Arent
2.4.2. Neutrinoquellen und deren Nachweis Schneider
2.5. Aufbau und Funktionsweise des IceCube-Detektors Arent
2.5.1. Aufbau des Detektors Schneider
2.5.2. Messung durch den Cherenkov-Effekt Arent
2.5.3. Digitale Optische Module (DOM) Schneider
2.5.4. Untergrund und Datenerhebung Arent
2.5.5. Zentrale Ergebnisse des Detektors und Ausblick Schneider
3. Didaktische Analyse 23 Arent
3.1. Begründung des Themas Schneider
3.2. Einordnung in den Lehrplan Arent
3.3. Inhalte des Lernparcours Schneider
3.3.1. Übergeordnete Zielsetzung Arent
3.3.2. Elementarisierung als Grundlage Schneider
3.3.3. Elementarisierung des IceCube-Experiments Arent
3.4. Lernziele und Kompetenzen Schneider
4. Didaktische Umsetzung Arent
4.1. Methodische Grundlagen Schneider
4.1.1. Kooperativer Unterricht Arent
4.1.2. Spiele im Physikunterricht Schneider
4.1.3. Kontextorientierung und Problemorientierung Arent
4.1.4. Die Arbeit mit gegenständlichen Modellen Schneider
4.2. Gesamtkonzept des Lernparcours Arent
4.3. Stationen des Lernparcours Schneider
4.3.1. Einführungsvideo Arent
4.3.2. Welche kleinsten Teilchen gibt es eigentlich? Schneider
148
A. Anhang
4.3.3. Welche Teilchen können uns Informationen über Quellen im Weltraum liefern?
Arent
4.3.4. Das fast unaufhaltbare Neutrino Schneider
4.3.5. Warum werden trotzdem Neutrinos von der Erde absorbiert? Arent
4.3.6. Wie genau wechselwirken unsere hochenergetischen Botenneutrinos mit Materie?
Schneider
4.3.7. Wie lassen sich die Sekundärteilchen messen? Arent
4.3.8. Wie erkenne ich die Myonen, die mich interessieren? Schneider
4.3.9. Wo ist ein geeigneter Standort für das Experiment? Arent
4.3.10. Wie kann der Bau finanziert werden? Schneider
4.3.11. Kann der Bau unter Extrembedingungen gelingen? Arent
4.3.12. Sind die Messungen mit dem Detektor erfolgreich? Schneider
4.4. Gestaltung des Textmaterials Arent
5. Evaluation Schneider
5.1. Quantitative Auswertung Arent
5.1.1. Evaluationsbogen Schneider
5.1.2. Durchführung der Evaluation Arent
5.1.3. Statistische Auswertung der Evaluationsbögen Schneider
5.2. Qualitative Auswertung Arent
5.2.1. Rückmeldung der Lehrkräfte Schneider
5.2.2. Einschätzung der Spielleiter und Beobachter Arent
5.3. Konsequenzen aus den Auswertungsergebnissen Schneider
6. Zusammenfassung und Ausblick Arent
149
A. Anhang
A.8. Erklarung zur Eigenstandigen Verfassung der Arbeit
