Kräftediagramme in der Physik: Soll man sie zeichnen müssen?

Kräftediagramme sind vom Physikunterricht nicht wegzudenken. Studien haben denn auch gezeigt: Wenn Schülerinnen und Schüler Kräftediagramme aus eigenem Antrieb einsetzen und richtig zeichnen, lösen sie die Aufgabe mit hoher Wahrscheinlichkeit korrekt. Doch wie verhält sich der Fall, wenn die Lernenden Kräftediagramme zeichnen müssen? Dann kommt es meist nicht gut, argumentiert eine neue Studie zu diesem Thema.

Doch wie verhält es sich, wenn Schülerinnen und Schüler Diagramme zeichnen müssen? Wenn sie also – z.B. im Rahmen einer Prüfungsfrage – aufgefordert werden, das Diagramm zur gestellten Aufgabe zu zeichnen? Es gibt einige Gründe anzunehmen, dass eine solche explizite Aufforderung die korrekte Lösungsfindung behindern kann:

• Sind die Schülerinnen und Schüler im Diagramm-Zeichnen nicht genügend geübt, machen sie Fehler.
  
• Betrachten sie das Diagramm als ein "Extra" zur Aufgabe, setzen sie es nicht explizit zur Lösungsfindung ein. Es wird gewissermassen als unabhängige Aufgabe betrachtet: Dieses Vorgehen wurde in verschiedenen Studien beobachtet.
• Sie folgen einem formalen Lösungsweg, der für sie keinen Sinn ergibt.
  
• Die Aufgabenstellung verweist auf einen ganz bestimmten Lösungsweg. Andere eher intuitive aber durchaus erfolgreiche Lösungsansätze werden dadurch gehemmt.
  

Im Rahmen einer aktuell publizierten Studie stellte Andrew Heckler der Ohio State University rund 900 Studierenden aus einer Physikeinführungs-Vorlesung zwei einfache Physikaufgaben. Eine davon lautete: 
Ein Basketball rollt gegen die Wand. Die Reibung kann vernachlässigt werden. Welche Kräfte wirken auf den Ball?

Die Ergebnisse zeigten ein interessantes Muster: Die Studierenden, die aufgefordert wurden, ein Kräftediagramm zu verwenden, schnitten bei den Problemlösungen schlechter ab als die Studierenden, die nicht dazu aufgefordert wurden. Eine genaue Analyse der Lösungswege zeigte, dass bei Ersteren (Diagramm verlangt) 28 Prozent eine falsche Kraft in Bewegungsrichtung zeichneten. In der anderen Gruppe (kein Diagramm verlangt) benutzte zwar nur die Hälfte aus eigenem Antrieb ein Diagramm, aber nur 9 Prozent der Studierenden zeichneten eine falsche Kraft in Bewegungsrichtung – die Zeichnungen waren dementsprechend häufiger korrekt.

Bei der anderen Aufgabe (zwei Mädchen stossen mit gegebenen Kräften gegen eine Box, die stillsteht. Der statische und kinetische Reibungskoeffizient sind gegeben) wurden in der ersten Gruppe (Diagramm verlangt) häufige Unvereinbarkeiten zwischen dem Diagramm und den niedergeschriebenen Gleichungen beobachtet: Die Studierenden zeichneten beispielsweise alle gegebenen Kräfte ein, auch wenn diese für den Lösungsweg irrelevant waren. Anders bei der zweiten Gruppe (kein Diagramm verlangt): Dort war die Konsistenz zwischen dem Gezeichneten und den benutzten Gleichungen hoch. Letztere vertrauten ausserdem mehr auf ihre Intuition: Sie zerlegten das Problem in Einzelteile und benutzten Zeichnungen im "eigenen Stil". 

Die Autoren möchten Ihre Ergebnisse nicht dahingehend verstanden wissen, dass das Lehren von formalen Lösungswegen kontraproduktiv oder dass die intuitive Problemlösefähigkeit der Lernenden besser als die formale sei. Die Wichtigkeit formalisierter Lösungswege für komplexe Probleme wird nicht in Frage gestellt. Es ist aber sehr wichtig, eine Reihe von Aspekten bei deren Vermittlung zu beachten.

Fazit und Empfehlungen für die Praxis:

• Kräftediagramme zu verlangen, bringt wenig, wenn die Schülerinnen und Schüler selbst dazu noch nicht bereit sind: Es kann dazu führen, dass sie losgelöst von ihrem Vorwissen einen formalen Lösungsweg gehen, den sie nicht verstanden haben. 

  
  
• Schülerinnen und Schüler bringen eigenes Vorwissen/eigene Vorgehensweisen in jede Physikstunde mit. Die Entwicklung zur formalen Lösungsfindung (mit Diagramm) sollte allenfalls schrittweise verlaufen und die intuitiven Vorgehensweisen der Studierenden in den Prozess miteinbeziehen.
  
  
• Es kann sein, dass die Methoden/das Vorwissen der Schülerinnen und Schüler aus physikalischer Sicht "völlig unbrauchbar" sind: Die Lehrperson sollte sich dennoch bewusst sein, dass das Vorwissen der Schüler unweigerlich mit dem formal gelernten Lösungsweg interagieren wird. Wird dies ignoriert, kann sich eine Diskrepanz zwischen dem Gelehrten und Gelernten ergeben.
  
  

Quelle:
Andrew Heckler: Some Consequences of Prompting Novice Physics Students to Construct Force Diagrams
International Journal of Science Education, Volume 32, Issue 14 September 2010 , pages 1829 - 1851

1. November 2010