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Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Grundschule, Heimat- und Sachunterricht, Jahrgangsstufen 3/4
Wie funktioniert Sehen? Stand: 26.10.2015
Jahrgangsstufe
4
Fach
Heimat- und Sachunterricht
Zeitrahmen
2 Unterrichtseinheiten
Benötigtes Material
siehe Versuchsanleitungen, Lampen laut Angabe
Kompetenzerwartungen HSU 3/4 2
Körper und Gesundheit
HSU 3/4 2.1
Körper und Entwicklung
Die Schülerinnen und Schüler …
beschreiben Aufbau, Funktionsweise und Schutz des Auges.
Aufgabe Die Schülerinnen und Schüler führen in Zweier- oder Dreiergruppen verschiedene Versuche zur Funktionsweise des Auges durch. Da dieser Sachverhalt biologisch und physikalisch sehr komplex ist, beschränkt sich die vorliegende Aufgabe auf den physikalischen Sehvorgang und die Abbildung eines Gegenstandes auf der Netzhaut. Die Stationen beinhalten Versuche zu folgenden Themen: Wie breitet sich Licht aus? Welchen Weg nimmt das Licht durch unser Auge? Was passiert mit Lichtstrahlen, wenn man sie durch eine Linse schickt? Wie wird das Bild eines Gegenstandes auf der Netzhaut abgebildet? Bei der Durchführung der einzelnen Aufgaben wenden die Kinder naturwissenschaftliche Arbeitsweisen an. Im reflektiven Gespräch untereinander und im Plenum diskutieren sie dabei ihre Ergebnisse. So finden sie eigenaktiv wesentliche Aspekte der Funktionsweise des Auges heraus. Die Versuche sollten am besten in einem möglichst dunklen Raum durchgeführt werden. Damit für die Schülerinnen und Schüler ausreichend Licht zum Lesen vorhanden ist, können Taschenlampen, Stirnlampen oder kleine Schreibtischlampen verwendet werden.
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Wie breitet sich Licht aus? . Du brauchst:
Taschenlampe
trockenes Geschirrtuch
Mehl
Sieb mit gelochter Alufolie
Kehrschaufel und Besen
So gehst du vor:
Verteile den Mehlstaub auf dem Geschirrtuch.
Leuchte mit der Taschenlampe gegen die Wand und halte das Sieb davor.
Schüttle nun den Tafellappen zwischen Wand und Sieb aus. Beobachte von der Seite. Zeichne deine Beobachtung.
o Wie breitet sich Licht aus? Ergänze den Satz:
Licht breitet sich__________________ in alle _________________________ aus.
o Überlegt gemeinsam, was das für euer Auge bedeutet. Aufkehren nicht vergessen!
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Welchen Weg nimmt das Licht durch unser Auge? Du brauchst:
Modell vom Auge
Holzstäbchen, evtl. Taschenlampe
o Auf welche Teile des Auges trifft das Licht? Schau dir das Augenmodell genau an. Das Stäbchen hilft dir. Es stellt einen Lichtstrahl dar. Du kannst auch die Taschenlampe verwenden. o Zeichne und beschrifte die Teile des Auges, auf die der Lichtstrahl trifft, wenn er in dein Auge fällt.
o Finde mithilfe des Films heraus, welche Funktion die einzelnen Teile für das Sehen haben.
o Nicht nur das Auge ist am Sehen beteiligt. Überlege, welcher Teil unseres Körpers/ unseres Kopfes noch wichtig für das Sehen ist.
Mehrere geeignete Filme zur Veranschaulichung finden sich bei mebis. Die Lehrkraft kann hier selbst auswählen (Beispiele siehe Seite 7,Seite 8)
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Was passiert mit Lichtstrahlen, wenn man sie durch eine Linse schickt?
Du brauchst:
Lichtbox
Taschenlampe
weißes Papier
verschiedene Linsen
Glas mit Wasser und Öl
Spiegel
So gehst du vor:
Lege die Taschenlampe in die Box, so dass das Licht durch die Schlitze nach außen leuchtet.
Stelle die verschiedenen Gegenstände in die Strahlen.
o Notiere oder zeichne jeweils deine Beobachtungen.
o Ergänze gemeinsam mit deinen Partnern den Satz: Licht wird durch verschiedene Materialien und Gegenstände aus seiner ursprünglichen Richtung _______________________________. Es wird _______________________ oder ________________________________.
o Welcher der Gegenstände ist mit der Linse in deinem Auge am ehesten vergleichbar?
o Was passiert mit den Lichtstrahlen, wenn sie auf die Linse in deinem Auge treffen? Überlegt gemeinsam und schreibt oder zeichnet auf.
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Wie wird das Bild eines Gegenstandes auf der Netzhaut abgebildet?
Du brauchst:
Blumentopf-Lochkamera
Schachtel-Lochkamera
Rollen-Lochkamera
Weiße Stumpen- oder Stabkerzen
Feuerzeug/Streichhölzer
Holzstäbchen/Zahnstocher
Zünde die Kerze an und betrachte sie mit den verschiedenen Lochkameras. Dazu musst du das Loch Richtung Kerze richten und selber das Pergamentpapier anschauen. Du darfst nicht durch das Loch schauen. Das kleine Loch in den Kameras wirkt wie eine Linse. o Zeichne, wie die Kerze auf dem Schirm der verschiedenen Lochkameras erscheint. Vergleiche.
Blumentopf
Schachtel
Rolle
o Teile der Kamera kannst du mit Teilen des Auges vergleichen. Schreibe auf! o Das Bild der Kerze verändert sich, wenn du mit der Kamera weiter weg gehst. Finde mit der Gruppe eine Erklärung. o Das Bild der Kerze verändert sich, wenn du mit der Kamera näher heran gehst. Vermute zuerst den Grund dafür und überprüfe dann! Eine Herausforderung: Versuche mit Hilfe der Holzstäbchen das Bild der Kerze zu erklären. Ergänze die Zeichnung.
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Wie ist das jetzt bei unserem Auge?
Du brauchst:
Rollenaugenmodell mit Linse
Stumpen- oder Stabkerze
Feuerzeug
Zünde die Kerze an und betrachte sie durch das Augenmodell! Stelle mit Hilfe der schwarzen Rolle das Modell so ein, dass das Bild scharf ist. o Wie wird die Kerze in dem Rollen - Augenmodell abgebildet? Zeichne. Was bedeutet dies für die Abbildung in deinem Auge?
o Teile des Auges kannst du mit bestimmten Teilen der Kamera vergleichen. Tipp: Du kannst dir das Augenmodell zur Hilfe holen.
o Schiebe die Papprolle in der Dose hin und her. Wie verändert sich das Bild?
o Verändere die Einstellung der Papprolle nicht mehr, nachdem du sie scharf gestellt hast. Gehe dann näher zur Kerze. Was siehst du nun?
o Was muss dein Auge in dieser Situation können? Besprich dich in der Gruppe. Quellen- und Literaturangaben Gau, Barbara, Dr. habil., u.a.: Berlin. Duden paetec GmbH. 2010. Göhring, Prof. Dr. Anja, Schönhofer, Schödl, Anja: Optische Phänomene und GesetzmäßigWenn du noch Zeit hast: keiten in der Grund- und Mittelschule. Fortbildungsunterlagen DPG-Lehrertag. Universität Du kannst auch andere Gegenstände im Raum betrachten. Regensburg. 15.03.2013 Gondolino: Das große Buch der Experimente. Berlin, Saarbrücken: gondolino in der Gondrom Verlag GmbH. 2004.
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Quellen- und Literaturangaben Hann, Judith: Spannendes aus Wissenschaft und Technik. München: Christian Verlag. 1992. Hopf, M., Haagen-Schützenhöfer, C. Heran-Dörr, E.: Low-Cost im Optikunterricht. Praxis der Naturwissenschaften: Physik in der Schule. Heft 5/Jahrgang 60/2011. ISB: Physikalische Grundlagen im Natur- und Technik-Unterricht der Jahrgangsstufe 5. Online-Veröffentlichung. April 2006. https://www.isb.bayern.de/schulartspezifisches/materialien/p/physikalische-grundlagen-imnatur-und-technik-unte/ (aufgerufen am 23.01.2015 um 20:39 Uhr) Liebers, Prof. Dr. Claus: Naturwissenschaften im Unterricht Biologie Chemie Physik. Vom Sehen. Berlin: Cornelsen Verlag. 2006. Schlichting, Hans-Joachim, Suhr, Winfried: Ein tiefer Blick ins Glas. Alltagsphänomene als Zugang zur geometrischen Optik. Unterricht Physik. 19/2008. Nr. 105/106. Seilnacht, Thomas: Lernlabor Naturwissenschaften (CD-ROM). Bern: Seilnacht Verlag & Atelier. www.seilnacht.de Spitz, Dr. Christian, u.a.: Duden Physik. SI. Kopiervorlagen Lichtausbreitung, Optische Geräte, Reflexion und Brechung, Welleneigenschaften und Farben. Berlin. Duden paetec GmbH. 2010. Bezugsquelle Acrylglaslinse mit Durchmesser ca. 35mm und Brennweite ca. 100mm: www.astromedia.de (OM Nr. 7, Dioptrien: +9,4, Brennweite: +106mm sphärisch, Durchmesser: 34,5mm) oder www.opitec.de (Brennweite: 106mm, Durchmesser: 34,5mm) Unsere Sinne: Das Auge Direktlink für dieses Medium: https://mediathek.mebis.bayern.de/index.php?doc=search/query&identifier=BWS-04982834
Hinweise zum Unterricht Grundlage für die vorliegende Unterrichtseinheit sind die in der Sequenz vorangehenden Einheiten. Ausgehend vom Aufbau des Auges und der Notwendigkeit von Licht, um sehen zu können, wird nun der Focus auf die Bildentstehung im Auge gelegt. Gemäß des naturwissenschaftlichen Arbeitsprozesses äußern die Schülerinnen und Schüler zunächst ihre Vermutungen, was denn im Auge passieren muss, damit man etwas sehen kann. Vorwissen und Vorstellungen der Kinder werden dabei schriftlich an der Tafel fixiert, um nach der Arbeitsphase darauf zurückgreifen zu können. Anschließend arbeiten die Kinder in vier verschiedenen Versuchsstationen an der Lösung dieser Fragestellung. Sie bilden dafür Stamm-Experten-Gruppen mit je 4-5 Kindern. Bei höherer Schülerzahl können mehrere arbeitsgleiche Gruppen gebildet werden. Zuerst führt jede Gruppe ihren Versuch in der Stammgruppe durch. Dabei diskutieren sie nicht nur die eigenen Beobachtungen und Ergebnisse, sondern überlegen auch, wie sie die Ergebnisse in der darauf folgenden Expertengruppe präsentieren. In der nächsten Phase setzt sich jeweils ein Experte jeder Station in einer Gruppe zusammen, wobei jedes Kind den Versuch seiner Stammgruppe einbringt. Aufgabe der ExpertenSeite 7 von 15
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gruppe ist es nun, gemeinsam den Versuch „Wie ist das nun mit unserem Auge?“ durchzuführen und alle Ergebnisse zu bündeln. Eine Besprechung im Plenum mit Rückgriff auf die anfangs notierten Vermutungen steht am Ende der Unterrichtseinheiten. Während der Arbeit in den Stammgruppen agiert die Lehrkraft im Hintergrund, berät einzelne Gruppen und gibt Hilfestellungen. Steht genügend Zeit zur Verfügung, können die Schülerinnen und Schüler in freier Arbeit auch die Versuche der anderen Stammgruppen durchführen. Ein gemeinsamer Hefteintrag kann fakultativ erstellt werden. Fachbegriffe der vorliegenden Unterrichtseinheit: Sammellinse, Hornhaut, Pupille, Linse, Augapfel, Netzhaut, Abbildung, Lochkamera
Die vorliegenden Unterrichtseinheiten sind in folgende Sequenz eingebettet:
Welche Aufgaben haben die Teile unseres Auges? Die Schülerinnen und Schüler benennen die einzelnen Teile des Auges an einem Modell und versuchen, deren Aufgaben herauszufinden. Wenn möglich, kann auch ein echtes Schweineauge betrachtet und von der Lehrkraft präpariert werden. Film auf mebis: „Anatomie des Auges“ Direktlink für dieses Medium: https://mediathek.mebis.bayern.de/index.php?doc=search/query&identifier=DE.SIEM ENSSTIFTUNG.103925
Wie ist unser Auge vor äußeren Einflüssen geschützt? Hier werden die äußeren Schutzvorrichtungen des Auges mit den bekannten Versuchen (Lidschlussreflex,…) besprochen.
Woher kann Licht kommen? / Welche Lichtquellen gibt es? Es bietet sich an, schon in einer vorhergehenden Unterrichtseinheit den Unterschied zwischen lebendigen (Glühwürmchen, Anglerfisch, fluoreszierende Pilze, …), natürlichen (Sonne, Blitz, Feuer, Sterne, …) und künstlichen (Lampen, Kerze, Fernseher, Ampel, …) Lichtquellen sowie beleuchteten Körpern (Mond, Reflektoren, Spiegel, …) zu klären. Eine Wiederholung dieser Unterschiede kann als Einstieg für die vorliegenden Einheiten dienen.
Was brauche ich, um einen Gegenstand sehen zu können? / Ohne Licht geht es nicht! Den Schülerinnen und Schülern sollte als Folge dessen bereits klar sein, dass Licht notwendig ist, um einen Gegenstand sehen zu können. Unser Auge kann nur beleuchtete oder selbst leuchtende Dinge sehen. Der Weg des Lichtes von der Lichtquelle über den beleuchteten Gegenstand bis zum Auge ist hier äußerst wichtig.
Wie funktioniert Sehen?
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Die vorliegenden Unterrichtseinheiten beschäftigen sich mit einer physikalisch komplexen Thematik Deshalb ist es wichtig, dass die Lehrkraft mit den fachlichen Grundlagen vertraut ist. Biologische und physikalische Grundlagen für die Lehrkraft: Dorn, Friedrich / Bader, Franz: Physik. Gymnasium, Sekundarstufe I. Hannover: Schroedel, 2001. Purves, W. K. / Sadava, D. / Orians, G. H. / Heller, H. C. / Markl, Jürgen (Hrsg.): Biologie. München: Elsevier, Spektrum Akad. Verlag, 2006. 7. Aufl. (1. Aufl. der dt. Übers.). Zur Lochkamera: http://www.planet-schule.de/sf/multimedia-interaktive-animationendetail.php?projekt=lochkamera Lichtbox und Strahlenhaus im Detail zum Nachbauen:
Um die Strahlenbox von innen zu beleuchten, eignet sich eine lichtstarke Taschenlampe.
Das Strahlenhaus ist etwas komplizierter zu bauen. Allerdings kann man hier auf den einzelnen Seiten die unterschiedlichen Lichtbündel besser vergleichen. Zum Beleuchten eignet sich sehr gut ein selbst gebauter Stromkreis.
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Augenmodell:
Die Anleitung zum Bau des Augenmodells findet sich in der angegebenen Literatur. Die Rolle muss allerdings einen Metall- oder stabilen Kunststoffboden (Chips- oder Müslirolle) haben. Ein Pappboden ist zu instabil.
Ergebnis der gemeinsamen Reflexion Die Schülerinnen und Schüler führten mit Begeisterung die aus ihrer Sicht sehr spannenden Versuche durch. Auftauchende Probleme und Unklarheiten ließen sich mit Unterstützung der Lehrkraft klären. Zunächst musste der Raum möglichst gut abgedunkelt werden, da sonst einige Effekte schlechter sichtbar und Beobachtungen schwierig werden. Beim Versuch mit dem Sieb hatten die Kinder die Idee, das Sieb wegzulassen. Der Effekt war hier genauso sichtbar, allerdings konnten die einzelnen Strahlen nicht gesehen werden. Man einigte sich darauf, dass das von der Taschenlampe ausgehende Licht in diesem Fall als großer Strahl betrachtet werden kann, der aus vielen kleinen Strahlen besteht, die das löchrige Sieb sichtbar macht. Vor allem beim Strahlenhaus und der Lichtbox konnten die Schülerinnen und Schüler das Phänomen der Lichtstrahlen und Lichtbündel nochmals sehen. Die mit Flüssigkeiten gefüllten Gläser wirkten hier ebenfalls wie Linsen. Sogar die Strahlengänge wurden von den Kindern gezeichnet. Schwieriger als erwartet stellte sich der Umgang mit den Lochkameras heraus. Hier ist eine explizite Anleitung und Hilfestellung der Lehrkraft unabdingbar, da die Kinder sonst durch das Loch schauen. Dies dürfen sie aber gerade nicht, da das Loch wie eine Linse wirkt. Sie müssen von außen den Pergamentschirm betrachten. Hier wäre es sinnvoll, mit den Schülerinnen und Schülern eigene Lochkameras zu bauen, mit denen sie üben können. Anleitungen finden sich in vielfältiger Art und Weise in der Literatur. Auch die Lehrkraft sollte den Umgang mit diesen Kameras im Vorfeld üben. Am meisten Begeisterung zeigten die Kinder über die Arbeitsform der Stamm-ExpertenGruppen (StEx). Sie äußerten sich äußerst positiv darüber, „weil ich es den anderen Kindern erklären durfte und die anderen Kinder es mir erklärt haben“.
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Anregungen zum weiteren Lernen Diese Themen könnten je nach Interessen der Kinder behandelt werden, z.B. auch als Expertenpräsentationen. Evtl. haben die Schülerinnen und Schüler selbst weitere Anregungen, die sie aufgreifen möchten.
Eigenes Sichtfeld und Sichtfeld von Tieren
Räumliches Sehen
Besonderheiten: Gelber Fleck und Blinder Fleck
Adaption und Akkomodation
Fehlsichtigkeiten, z.B. Kurz- und Weitsichtigkeit
Brechung, Reflexion, Spiegelung
Alles über Schatten
Positive und negative Nachbilder
Entstehung von Farben
Wie entsteht ein Regenbogen?
Additive und subtraktive Farbmischung
Optische Täuschungen
Wie entsteht eine Fata Morgana?
Wie ist es, wenn man blind ist?
Wie entstehen Farben?
Augen/Sehen bei Tieren
Für viele dieser Inhalte finden sich ebenfalls auch für die Grundschule geeignete Filme auf mebis.
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Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler
„Zerstreut“ ist der falsche Ausdruck. Das Glas mit Öl wirkt wie eine Sammellinse. Das Licht wird hier gebündelt. Durch die Schlitze im Strahlenhaus werden diese Lichtbündel sichtbar. Damit keine falschen Vorstellungen entstehen ist es besonders wichtig, auf die Wahl der richtigen Begrifflichkeiten zu achten, die die Lehrkraft den Kindern vorgibt und, soweit nötig, erläutert.
Bei der Arbeit mit den verschiedenen Lochkameras und dem Augenmodell stellten die Gruppen teilweise mehrere Kerzen auf. Dies trug allerdings eher zur Verwirrung bei. Eine Kerze ist völlig ausreichend.
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Alle vorliegenden Schülerergebnisse wurden während des Arbeitsprozesses erstellt und sind deshalb noch nicht rechtschriftlich und grammatikalisch verbessert.
Die Schülerinnen und Schüler dieser Gruppe bemerkten in der Diskussion von selbst, dass sie die Abbildungen der Kerze falsch gezeichnet hatten. Auf dem Schirm der Lochkamera erscheinen alle Abbildungen auf dem Kopf. Die weiteren Antworten wurden von den Kindern entgegen des Auftrages nicht schriftlich fixiert. Allerdings konnten sie die Ergebnisse problemlos im Plenum präsentieren. Die vorgegebene Zeichnung auf dem Arbeitsblatt erwies sich als zu abstrakt für die Kinder. Zumindest Bezeichnungen für die einzelnen Teile müsste man ergänzen. Diese Expertengruppe stellte ihr Ergebnis dann mit Hilfe des Augenmodells und einer Lochkamera vor. Seite 13 von 15
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Diese Expertengruppe hatte Schwierigkeiten bei der Versprachlichung ihrer Ergebnisse. Die Formulierungen mussten im Plenum noch ausführlich thematisiert werden. Licht wird nicht größer oder kleiner, es wird je nach Standort des Glases unterschiedlich stark abgelenkt. Die Kinder ergänzten den Satz gemeinsam mit der Lehrkraft und leiteten die Begriffe aus den Namen der Linsen ab. Hierbei muss der Begriff „zerstreut“ noch vertieft werden. Es heißt zwar „Zerstreuungslinse“, Licht allerdings wird „gestreut“. Auch der Ausdruck „gebogene Linse“ ist zu ungenau, da alle Linsen auf mindestens einer Seite gewölbt sind. Sinnvoller ist es hier, die Form der Linse zeichnen zu lassen. Diese Sachverhalte wurden bei dieser Gruppe in der Zusammenschau im Plenum gemeinsam auf das Auge übertragen.
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Die Zeichnung ist korrekt, allerdings ist es sinnvoll, hier nur eine Kerze zu betrachten. Hier wurden drei Kerzen nebeneinander aufgestellt. Es darf durch die Zeichnung nicht der Eindruck entstehen, dass die Kerze durch das Modell vervielfacht wird. Es wäre noch gut, neben den Teilen des Auges auch die dazu passenden Teile des Modells zu benennen und die beiden Sachen evtl. tabellarisch zu notieren. Verändert man weder Position der Kerze noch Position des Augenmodells wird das Bild nicht schärfer, sondern nur unschärfer. Hier ist noch ein klärendes Gespräch mit der Gruppe notwendig.
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