Modelle der Thermohalinen Zirkulation im Unterricht: eine empirische Studie zur Förderung des Modellverständnisses
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Berlin
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2008
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| Schriftenreihe: | Studien zum Physik- und Chemielernen
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Summary vii
1 Einführung und Begründung 1
1.1 Prolog........................................... 1
1.2 Einführung in die Problematik.............................. 2
1.3 Einordnung in den Forschungskontext und Ziele der Arbeit ............. 4
1.4 Aufbau der Arbeit..................................... 4
1 Klimatologischer Hintergrund 7
2 Klima und Klimamodellierung 9
2.1 Einführung ........................................ 9
2.2 Klima als komplexes System.............................. 10
2.2.1 Das Klimasystem der Erde........................... 10
2.2.2 Die Subsysteme des Klimasystems...................... 12
2.2.2.1 Die Atmosphäre............................ 12
2.2.2.2 Die Hydrosphäre............................ 13
2.2.2.3 Die Biosphäre............................. 16
2.2.2.4 Die Lithosphäre............................ 18
2.3 Rückkopplungen und der Klimawandel durch den Menschen ............ 19
2.3.1 Rückkopplungen im Klimasystem........................ 19
2.3.1.1 Einführung............................... 19
2.3.1.2 Eis-Albedo-Feedback......................... 20
2.3.1.3 Wasserdampf-Rückkopplung..................... 21
2.3.1.4 Wolken-Rückkopplungen....................... 21
2.3.2 Der Klimawandel durch den Menschen .................... 22
2.3.3 Fazit........................................ 24
2.4 Klimamodelle und die Vorhersageproblematik beim Klima.............. 25
2.4.1 Keine Experimente! .............................. 25
2.4.2 Computer bei der Klimamodellierung...................... 26
2.4.3 Grundlegende Probleme bei der Klimamodellierung............. 27
2.4.3.1 Vereinfachungen ........................... 27
2.4.3.2 Strukturelle Hindernisse........................ 32
2.4.3.3 Umgang mit Unsicherheiten bei der Klimavorhersage....... 36
2.5 Modelltypen unterschiedlicher Komplexität....................... 37
2.5.1 Verschiedene Modelltypen für unterschiedliche Anforderungen....... 37
Inhaltsverzeichnis
2.5.2 Modelle mittlerer Komplexität und komplexe Klimarechenmodelle ..... 38
2.5.3 Einfache Modelle ................................ 39
2.5.4 Hierarchie von Klimamodellen ......................... 41
Die Thermohaline Zirkulation und ihre Modellierung 43
3.1 Ein Blick in die Klimageschichte............................. 44
3.1.1 Einführung.................................... 44
3.1.2 Klimaarchive und Methoden der Klimarekonstruktionen........... 44
3.1.2.1 Die schwierige Suche nach Erkenntnissen............. 44
3.1.2.2 Klimarekonstruktion und Datierung.................. 45
3.1.2.3 Klimaarchive.............................. 48
3.1.2.4 Modelle der Klimavergangenheit................... 53
3.1.3 Eine Exkursion in die Klimageschichte der Erde ............... 54
3.1.3.1 Die wechselvolle Geschichte des Erdklimas ............ 54
3.1.3.2 Die jüngste Klimavergangenheit der letzten 120.000 Jahre .... 55
3.1.4 Eine neue Sichtweise der Klimageschichte.................. 58
3.2 Die Thermohaline Zirkulation.............................. 59
3.2.1 Das Große Maritime Förderband........................ 59
3.2.2 Dynamik der Thermohalinen Zirkulation.................... 62
3.2.3 Die Rolle der Thermohalinen Zirkulation im Klimasystem .......... 66
3.2.4 Thermohaline Zirkulation und der Klimawandel................ 67
3.3 Die Modellierung der Thermohalinen Zirkulation ................... 68
3.3.1 Hierarchie von Modellen bei der Ozeanmodellierung............. 68
3.3.2 Komplexe Modelle der Thermohalinen Zirkulation............... 69
3.3.3 Untersuchung der Thermohalinen Zirkulation mit Modellen mittlerer Kom-
plexität ...................................... 71
3.3.4 Einfache Box-Modelle der Thermohalinen Zirkulation............. 74
3.3.4.1 Das Stommel-Modell von 1961.................... 74
3.3.4.2 Neuere Box-Modelle.......................... 76
3.3.5 Fazit........................................ 77
3.4 Ein minimales Box-Modell für den Unterricht...................... 78
3.4.1 Hintergrund.................................... 78
3.4.2 Beschreibung des Modells ........................... 79
3.4.3 Mathematische Formulierung des Modells................... 80
3.4.4 Mathematische Lösung............................. 82
3.4.5 Bedeutung des Modells............................. 86
Theoretischer Hintergrund: Modelle 87
Klärung des Modellbegriffs 89
4.1 Einführung ..................... gg
4.2 Das erkenntnistheoretische Fundament............... 90
4.2.1 Notwendigkeit eines erkenntnistheoretischen Hintergrundes......... 90
4.2.2 Erkenntnistheoretische Strömungen............. 91
4.2.2.1 Realismus....................... gi
Inhaltsverzeichnis Hi
4.2.2.2 Idealismus............................... 93
4.2.2.3 Pragmatismus............................. 94
4.2.2.4 Diskussion der unterschiedlichen Positionen............ 94
4.2.3 Erkenntnistheoretische Vorstellungen für den naturwissenschaftlichen Un-
terricht....................................... 95
4.2.3.1 Einführung............................... 95
4.2.3.2 Unabhängige Existenz einer realen Welt.............. 98
4.2.3.3 Art des Erkennens der realen Welt.................. 99
4.2.3.4 Die Rolle des Subjektes: Wahrnehmung als aktiver Filterungspro-
zess................................... 100
4.3 Modellbegriff und Modellbildung ............................ 103
4.3.1 Einführung.................................... 103
4.3.2 Modelldefinition im realistischen Sinne .................... 104
4.3.2.1 Festlegung des Modellbegriffs.................... 104
4.3.2.2 Erkenntnisgewinnung mit Hilfe von Modellen............ 105
4.3.2.3 Weitere Modelldefinitionen...................... 107
4.3.3 Unterschiedliche Blickwinkel auf Modelle ................... 110
4.3.3.1 Mentale und konstruierte Modelle.................. 110
4.3.3.2 Notwendigkeit von Modellen außerhalb des Mesokosmos..... 111
4.3.3.3 Kategorisierung von Modellen.................... 112
4.4 Praxis der Klimaforschung aus erkenntnistheoretischer Perspektive - Anlass einer
neuen Sicht von Wissenschaft?............................. 115
4.4.1 Einleitung..................................... 115
4.4.2 Besonderheiten der Klimaforschung...................... 115
4.4.3 Problemfelder in der Praxis der Klimamodellierung.............. 117
4.4.4 Modellbegriff und Erkenntnistheorie im Kontext der Klimaforschung..... 120
5 Modelldenken in der Didaktik 127
5.1 Gründe für ein Modelldenken in der Schule...................... 127
5.1.1 Drei Felder der Scientific Literacy: Wissenschaft lernen, Wissenschaft
praktizieren und über Wissenschaft lernen.................. 127
5.1.2 Begründungszusammenhänge für Modell-und Wissenschaftsverständnis . 128
5.2 Lernen über Modelle und die Natur der Naturwissenschaften............ 132
5.2.1 Einführung.................................... 132
5.2.2 Wissenschaftsverständnis............................ 134
5.2.3 Modellverständnis................................ 135
5.2.4 Modellkompetenz ................................ 137
5.2.5 Modellieren: Dynamische Modellveränderung auf unterschiedlichen Ebenen 138
5.2.6 Dynamisches Modellieren mit Modellbildungssystemen........... 141
5.3 Untersuchungen und Interventionen zum Modell-und Wissenschaftsverständnis . 142
5.3.1 Wissenschaftsverständnis der Lernenden................... 142
5.3.2 Modellverständnis der Lernenden ....................... 144
5.3.3 Zusammenfassung der Schülervorstellungen................. 147
5.3.4 Modelltheoretische Vorstellungen bei Lehrenden............... 148
5.3.5 Förderung des Modelldenkens im Unterricht ................. 152
iv _______________________ Inhaltsverzeichnis
5.3.5.1 Implizite und explizite Ansätze....................152
5.3.5.2 Kummulatives Lernen über Modelle.................153
5.4 Komplexitätsforschung und Systemdenken: Zwei Seiten der gleichen Medaille ..154
5.4.1 Einführung....................................154
5.4.2 Nichtlineare Dynamik, Selbstorganisation und Komplexitätsforschung ... 155
5.4.2.1 Einführung............................... 155
5.4.2.2 Einige Basisstrukturen komplexen Verhaltens............ 156
5.4.2.3 Einfache Modelle, Universalität und Unterricht........... 158
5.4.3 Systemdenken und vernetzte Systeme..................... 160
5.4.3.1 Elemente systemischen Denkens..................160
5.4.3.2 Möglichkeiten, Rückkopplungen und Grundmuster systemischen
Verhaltens...............................161
5.4.4 Modelle komplexer Phänomene und Systemmodelle.............163
5.5 Ansatz des Modellierens von Minimalmodellen komplexer Systeme zur Förderung
des Modellverständnisses................................164
5.5.1 Einführung....................................165
5.5.2 Das Klima - mehr als ein authentischer Kontext................165
5.5.3 Minimalmodell zur Förderung des Modellverständnisses...........166
5.5.4 Iterierte Modellierung als Anlass zur Metareflexion..............168
III Empirischer Teil 171
6 Unterricht über ein Minimalmodell zur Thermohalinen Zirkulation 173
6.1 Einführung........................................173
6.1.1 Der Unterricht über die Modellierung der Thermohalinen Zirkulation .... 173
6.1.2 Die Konstruktion des Unterrichtes ....................... 175
6.2 Das Dynasys-Modell zur Thermohalinen Zirkulation ................. 176
6.3 Der Unterrichtsgang: Modelle der Thermohalinen Zirkulation............ 178
6.3.1 Zeitliche Planung der Unterrichtseinheit....................178
6.3.2 Einführung in die Modellierung: Modell eines Wassertanks mit Zu- und Ab-
fluss........................................179
6.3.2.1 Zielsetzung und Konzeption .....................179
6.3.2.2 Die Dynamik des Wassertanksystems: Fließgleichgewicht und
Rückkopplung.............................180
6.3.2.3 Unterrichtsablauf............................181
6.3.3 Der Film The Day after Tomorrow und die Thermohaline Zirkulation ... 182
6.3.3.1 Zielsetzung und Konzeption ..................... 182
6.3.3.2 Der Klimawandel im Film The Day after Tomorrow - alles nur
Fiktion?................................. 182
6.3.3.3 The Day after Tomorrow als Einführung in die Klimaproblematik 184
6.3.4 Der klimatologische Hintergrund für den Unterricht.............. 185
6.3.4.1 Zielsetzung und Konzeption ..................... 185
6.3.4.2 Informationen über Eisbohrkerne, die Klimageschichte und die
Thermohaline Zirkulation....................... 185
6.3.4.3 Durchführung ............................. 186
Inhaltsverzeichnis
6.3.5 Untersuchung der Thermohalinen Zirkulation: Das Strömungsexperiment . 187
6.3.5.1 Zielsetzung............................... 187
6.3.5.2 Das Strömungsexperiment...................... 188
6.3.5.3 Durchführung ............................. 189
6.3.6 Das erste Dynasys-Modell zur Thermohalinen Zirkulation.......... 190
6.3.6.1 Zielsetzung............................... 190
6.3.6.2 Das Modell zum Strömungsexperiment: modeül.dyn ....... 190
6.3.6.3 Durchführung ............................. 191
6.3.7 Das zweite Dynasys-Modell zur Thermohalinen Zirkulation......... 192
6.3.7.1 Zielsetzung............................... 192
6.3.7.2 Dynamisches Fließgleichgewicht: modell2.dyn........... 192
6.3.7.3 Durchführung ............................. 193
6.3.8 Das dritte Dynasys-Modell zur Thermohalinen Zirkulation.......... 194
6.3.8.1 Zielsetzung............................... 194
6.3.8.2 Abrupte Änderungen: modell3.dyn ................. 194
6.3.8.3 Durchführung ............................. 195
6.3.9 Kommt eine neue Eiszeit? - Diskussion im Unterricht............ 197
6.3.9.1 Zielsetzung und Hintergrund..................... 197
6.3.9.2 Durchführung ............................. 197
Ergebnisse der Untersuchung 199
7.1 Untersuchungsdesign und-durchführung....................... 199
7.1.1 Untersuchungsdesign und zeitlicher Ablauf.................. 199
7.1.2 Strukturelle Voraussetzungen der Klassen................... 200
7.1.3 Forschungsfragen................................ 200
7.1.4 Der Fragebogen................................. 201
7.1.5 Der Datensatz.................................. 202
7.2 Konstruktion der Skalen................................. 202
7.2.1 Skalen zum Interesse.............................. 202
7.2.1.1 Zielsetzung............................... 202
7.2.1.2 Interesse an Physik.......................... 203
7.2.1.3 Interesse an Metafragen....................... 203
7.2.1.4 Interesse am Klima.......................... 203
7.2.2 Computernutzung................................ 205
7.2.3 Items zum Modellverständnis.......................... 206
7.2.4 Modellverständnis zum Teilchenbegriff..................... 208
7.2.5 Modellverständnis bei Klimamodellen..................... 209
7.2.6 Künstlichkeit des Dynasys-Modells....................... 210
7.2.7 Beweiskraft von Klimamodellen......................... 210
7.3 Auswertung der Aufgaben aus dem Fragebogen................... 211
7.3.1 Erklärungspotential des Dynasys-Modells................... 211
7.3.2 Wissen zur Thermohalinen Zirkulation..................... 213
7.3.3 Bewertung eines ökonomischen Modells.................... 213
7.3.4 Modelle des Lichts................................ 213
7.4 Analyse der Ergebnisse................................. 214
vi _________________________________________________Inhaltsverzeichnis
7.4.1 Skalen zum Interesse..............................214
7.4.1.1 Vergleich der Mittelwerte der Skalen................. 214
7.4.1.2 Analyse der Korrelationen ...................... 215
7.4.1.3 Interpretation der Ergebnisse .................... 216
7.4.2 Skalen zur Computernutzung.......................... 217
7.4.2.1 Analyse der Skalen..........................217
7.4.2.2 Einfluss auf den Lernerfolg......................217
7.4.3 Skalen zum Modellverständnis.........................218
7.4.3.1 Mittelwerte der Skalen ........................ 218
7.4.3.2 Zusammenhänge zwischen den Skalen............... 220
7.4.3.3 Vergleich der verschiedenen Kurse ................. 221
7.4.4 Analyse der Gruppierung zum Erklärungspotential des Dynasys-Modells . 223
7.4.5 Wissen zur Thermohalinen Zirkulation..................... 224
7.4.6 Bewertung eines ökonomischen Modells.................... 225
7.4.7 Vergleich der Kurse bei den Modellen des Lichts............... 226
7.4.8 Kommentare zur Unterrichtseinheit....................... 227
7.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen...................... 228
7.5.1 Interessensentwicklung.............................228
7.5.2 Modellverständnis im Bereich allgemeiner Modelle..............228
7.5.3 Modellverständnis zu Klimamodellen......................228
7.5.4 Modellverständnis in kontextfremden Bereichen................229
7.5.5 Vermittlung von Wissen.............................229
7.5.6 Hemmende und förderliche Faktoren für die Unterrichtsumsetzung.....230
7.5.7 Ausblick......................................231
8 Zusammenfassung und Perspektiven 233
Literaturverzeichnis 245
Anhang 265
A : Unterrichtsmaterialien und Arbeitsbögen 265
B : Fragebögen 295
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