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Unterrichtsplanung

Vorüber­le­gungen zur Planung der Unter­richts­ein­heiten zum Thema Halb­leiter

1.771 Wörter / ~8 Seiten sternsternsternstern_0.75stern_0.3 Autor Christoph T. im Feb. 2013
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Unterrichtsplanung
Physik

Universität, Schule

Gymnasium Oesede

Note, Lehrer, Jahr

2013

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Christoph T. ©
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Ohne Kopierschutz
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sternsternsternstern_0.75stern_0.3
ID# 27973







Studienseminar für das Lehramt an Gymnasien

 

Mittelfristige Unterrichtsplanung
Im Fach Physik

 

Thema der Unterrichtseinheit:

HALBLEITER

 

 

Schule:                     

Lerngruppe:              9 F1

Zeitraum:                   07. September bis 19. Oktober 2012

Umfang:                    10 (13) Unterrichtsstunden

Schulbuch:                Fokus Physik Gymnasium 9/10 (Cornelsen)

 

1. Vorüberlegungen zur Planung der Unterrichtseinheit

 

Die hier aufgeführte Unterrichtseinheit zum Thema Halbleiter ist auf 10 Unterrichtsstunden angelehnt und orientiert sich an der im Kerncurriculum ([08] S. 40) und im schuleigenen Arbeitsplan (siehe Anhang) aufgeführten Zuordnung prozess- und inhaltsbezogener Kompetenzen für den Jahrgang 9. Die Einheit ist unterteilt in vier Sequenzen und soll die Schüler als Hauptziel befähigen, den Aufbau verschiedener Halbleiterbauteile zu beschreiben und die Bedeutung der Halbleiter für die moderne Technik zu bewerten. Dazu wird in der geplanten Einheit häufig auf Simulationen zurückgegriffen, anhand derer die Schüler[1]  die Vorgänge in den Halbleiterbauteilen beschreiben sollen. Da das eingeführte Schulbuch ([2]) das Elektronengasmodell (oder Kristallgitter-Modell) verwendet, welches auf der Beschreibung der Leitfähigkeit als Elektronenleitung (freie Elektronen) und Löcherleitung basiert, soll auch in der vorliegenden Einheit ausschließlich dieses Modell genutzt werden, um in die Halbleiterphysik einzuführen. Neben der Visualisierung durch Simulationen sollen die Schüler in dieser Einheit hauptsächlich die prozessbezogene Kompetenz Erkenntnisgewinnung erweitern, indem sie Experimente eigenständig planen, durchführen und auswerten. Gestützt durch Arbeitsblätter und Informationstexte sollen sie so in der Lage sein, sich das in den Curricula geforderte Fachwissen weigehend selbständig anzueignen und einzusetzen, sodass der Lehrer  häufig in die Rolle des Moderators wechseln kann.

In der ersten Sequenz werden zunächst elektrische Stromkreise bzw. die Deutung der Vorgänge im elektrischen Stromkreis mit Hilfe der Eigenschaft bewegter Elektronen wiederholt, damit gleiche Lernvoraussetzungen gewährleistet werden können. Die Schüler sollen die Größen Elektronenstromstärke, Energiestromstärke und elektrische Spannung mit eigenen Worten erläutern können, damit sie im Verlauf der Einheit sicher mit diesen Begriffen hantieren können. Hierzu führen sie in Gruppen einen Schülerversuch durch, in dem sie Eisendraht zur Wendel formen und erhitzen, um Aussagen zur Temperaturabhängigkeit des Widerstandes eines Leiters zu formulieren. Als Einstieg in das Themengebiet Halbleiter wurde ein Demonstrationsexperiment zum elektrischen Fieberthermometer gewählt, um einen Bezug zur Erfahrungswelt der Schüler herzustellen. Am Ende der ersten Sequenz, welche zugleich auch als Einstiegsphase der Unterrichtseinheit gesehen werden kann, sollen die Schüler die unterschiedlichen Leitertypen Heißleiter und Kaltleiter unterscheiden können.

Die zweite und die dritte Sequenz können beide der Erarbeitungsphase zugeschrieben werden. Zentrale Frage ist hierbei, wie sich die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöht. In einem Stationenlernen führen die Schüler Experimente zur Leitfähigkeit von LDR- bzw. NTC-Halbleitern durch. Die äußere Energiezufuhr (durch Wärme oder Licht) wird als eine Bewegung des Kristallgitters interpretiert, sodass die Schüler nun zwischen gebundenen und freien Elektronen unterscheiden können und somit die Eigenleitung von Halbleitern qualitativ erläutern können. Neben der Elektronen- und Löcherleitung soll an dieser Stelle auch schon auf die mögliche Rekombination von Elektronen und Löchern hingewiesen werden (anhand einer Simulation). Ausgehend von der Frage, wie die Leitfähigkeit eines Halbleiters verbessert werden kann, wird nun in die n- und p-Dotierung eingeführt, welche die Schüler sich mit Hilfe bereitgestellter Materialien selbst erarbeiten und gegenseitig erklären sollen. Mit diesem Wissen lernen sie mit der Diode ein wichtiges Halbleiterbauelemt kennen, welches sie in Schülerexperimenten untersuchen und dessen Kennlinie sie aufnehmen werden. Dadurch erweitern sie ihre Methodenkompetenz und nähern sich einer eigenständigen, wissenschaftlichen Vorgehensweise. Bevor die Vorgänge am pn-Übergang einer Diode mit Hilfe einer Simulation verdeutlicht werden,  erfahren die Schüler am Beispiel des Haartrockners, die Funktionsweise eines Brückengleichrichters als eine Schaltung mehrerer Dioden. Anhand einer Simulation soll dann das Bilden der Grenzschicht am pn-Übergang bzw. der Leitungsvorgang und die damit verbundene Veränderung der Grenzschicht einer Diode erarbeitet werden.

Die Schüler können an dieser Stelle die Leitungsvorgänge eines Halbleiters hinreichend beschreiben und sollen mit der LED und der Solarzelle nun weitere pn-Übergänge untersuchen. Dies ist Gegenstand der vierten Sequenz, welche auch als Sicherungsphase betrachtet werden kann. In dieser Phase sollen die Schüler auf ihr bisher gesammeltes Wissen zurückgreifen, um in Schülerversuchen und Simulationen den Aufbau und die Wirkungsweise von LED und Solarzelle und die Vorgänge in den beiden Halbleiterbauteilen anhand des Elektronengasmodells zu beschreiben. Zuletzt soll den Schülern Raum gegeben werden, die prozessbezogene Kompetenz Bewertung zu erweitern, indem sie anhand von Materialien und aufgrund ihres angesammelten Fachwissens die Bedeutung der Halbleiter für die moderne Technik benennen und die Verwendung von LED und Solarzelle unter verschiedenen Aspekten bewerten (siehe [08] S.40).

Die Einheit endet mit einer schriftlichen Leistungsüberprüfung in der letzten Stunde vor den Herbstferien.

Zur Lerngruppe lassen sich nur wenige Angaben machen, da ich sie nach den Sommerferien übernommen und zuvor weder im eigenverantwortlichen noch im betreuten Unterricht kennen gelernt habe. Im Gespräch mit einem Fachlehrer des letzten Schuljahres habe ich jedoch erfahren, dass die Lerngruppe dem Fach Physik zwar offen und weitesgehend auch interessiert gegenübersteht, jedoch auffallend ruhig ist bzw. kaum mündliche Beteiligung zeigt. Auch daher kann es, wie hier aufgeführt, sinnvoll sein, die Schüler in vielen Schülerversuchen zunächst in Gruppen und im Anschluss beim Vergleich  im Plenum zur aktiven Teilnahme zu motivieren.

 

 

 

 

 

 

 

2. Vorüberlegungen zur Stundenplanung

 

Sequenz 1: Heißleiter und Kaltleiter

 

1. / 2. Stunde (07.09.): Unterscheidung Heißleiter - Kaltleiter

Lernziele:

Die Schüler…

·         formulieren eine Je-Desto-Aussage zur Temperaturabhängigkeit des Widerstandes eines Eisendrahtes

·         deuten die Temperaturabhängigkeit bei metallischen Leitern mit Hilfe des Elektronengasmodells

·         erweitern die prozessbezogene Kompetenz Erkenntnisgewinnung, indem sie die Beobachtungen eines Modellversuch zum Fieberthermometer notieren, ihn grafisch auswerten und die entstandene Messkurve im R--Diagramm interpretieren

·         unterscheiden Kaltleiter und Heißleiter anhand ihres Leitungsverhaltens

Methodenarbeit:

·         Schülerversuch (SV) nach Anleitung

·         Demonstrationsversuch (DV) zu Fieberthermometer (angelehnt an [11] S. 16)

Material:

1)    Arbeitsblatt zur Wiederholung

2)    Für SV: Stromkreis mit Quelle, Eisendraht, Teelicht, Multimeter

3)    Für DV: NTC-Widerstand, Thermometer, Becherglas mit Wasser, Bunsenbrenner oder Heizplatte, Stativmaterial, Experimentierleitungen

Hausaufgabe:

1)    Als Wiederholung: Erläutere die folgenden Begriffe noch einmal mit eigenen Worten: Elektronenstromstärke, Energiestromstärke, elektrische Spannung

2)    Glühlampen brennen meistens beim Einschalten durch. Warum ist die Stromstärke beim Einschalten am größten? ([02] S. 62 Nr. 2a)

 

Sequenz 2: Eigenleitung und Dotierung von Halbleitern

 

3. / 4. Stunde (14.09.): Das Leitungsverhalten eines Halbleiters

Lernziele:

Die Schüler…

·         führen in Gruppen Experimente zur Leitfähigkeit von Halbleitern durch (LDR, NTC), verfassen mit Hilfe eines Informationstextes und einer Simulation eine Erklärung der durchgeführten Versuche und präsentieren sie im Plenum.

·         erweitern ihr Fachwissen, indem sie das unterschiedliche Leitungsverhalten von Leitern und Halbleitern mit Hilfe des Elektronengasmodells beschreiben.

·         beschreiben die „Löcherleitung“ eines Siliziumhalbleiters anhand einer Simulation (Elektronengasmodell)

Methodenarbeit:

·         Lernen an Stationen zu LDR und NTC mit anschließendem Austausch / Vergleich durch Präsentation der Ergebnisse

·         Simulation zu Siliziumhalbleiter. UG als Hinführung zur Dotierung von Halbleitern (Frage: „Wie kann man die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöhen?“)

Material:

1)    Für Lernstationen: Laufzettel, Stromkreis mit Lampe und LDR- bzw. NTC-Widerstand, Fön, Taschenlampe

2)    Simulation eines Siliziumhalbleiters (CD zum Schulbuch [02])

Hausaufgabe: Eine Hälfte der Klasse erhält Arbeitsblatt und Hinweise zu weiterführenden

Informationen zur n-Dotierung, die andere zur p-Dotierung mit dem Auftrag in der nächsten Stunde dem Nachbarn die n-Leitung bzw. die p-Leitung zu erläutern. (u.a. angelehnt an [5] S.12)

 

5. / 6. Stunde (21.09.) - L. auf Kursfahrt

 

Sequenz 3: Die Halbleiterdiode

 

7. / 8. Stunde (28.09.): Die Diode – Ein Halbleiterbauelement

Lernziele:

Die Schüler…

·         beschreiben die Leitfähigkeit dotierter Halbleiter (n- und p-Dotierung) mit Hilfe des Elektronengasmodells

·         erweitern die prozessbezogene Kompetenz Erkenntnisgewinnung, indem sie anhand eines Schülerversuches die U-I-Kennlinien einer Diode und einer Leuchtdiode mit ihrem Taschenrechner aufnehmen und diese interpretieren bzw. miteinander vergleichen.

·         beschreiben den Aufbau und die Wirkungsweise einer Leuchtdiode.

Methodenarbeit:

·         Schülerversuche (mit eigenständigem Aufbau, angelehnt an [01] S. 9)

·         Schüler bearbeiten AB

·         Auswerten / Interpretieren der Kennlinie zunächst in Gruppen, dann im Plenum

 

Material:

1)    für SV: AB, Stromkreis mit zwei Dioden bzw. Leuchtdioden und zwei Glühlampen, Multimeter, grafikfähiger Taschenrechner, Schulbuch [02](Hinweis zur Methode „Kennlinie aufnehmen und interpretieren“ auf S. 65)

2)    für Vergleich/Präsentation: OHP oder Visualizer

Hausaufgabe: Arbeitsblatt zu Halbleiterdiode und Brückengleichrichter im Haartrockner

(angelehnt an [06] S. 57)

 

9. Stunde (05.10.): Vorgänge im pn-Übergang einer Diode

Lernziele:

Die Schüler…

·         erweitern ihr Fachwissen, indem sie die Vorgänge am pn-Übergang mit Hilfe des Elektronengasmodells beschreiben.

Methodenarbeit:

·         Demonstrationsversuch / Simulation zu einer Diode

·         Schüler bearbeiten AB in PA und vergleichen Ergebnisse im Plenum

Material:

·         Simulationen zu Vorgängen in einer Diode (CD zum Schulbuch [02] und schuleigene Sammlung bzw. Iserv)

·         AB zu pn-Übergang

 

Sequenz 4: Solarzelle und LED als Energiewandler

 

10. Stunde (05.10.): Die Solarzelle – ein kleines Kraftwerk

Lernziele:

Die Schüler…

·         beschreiben den Aufbau und die Wirkungsweise einer Solarzelle anhand eines Schülerversuches.

·         erweitern ihr Fachwissen, indem sie mit Hilfe einer Simulation erläutern, dass Solarzellen Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln.

Methodenarbeit:

·         Schülerversuch (angelehnt an [1] S. 16 und [5] S. 17) mit anschließender Präsentation im Plenum

·         Demonstrationsversuch / Simulation zu einer Solarzelle

Material:

1)    Für SV: Stromkreis mit Solarzelle, AB, OHP oder Visualizer für Präsentation

2)    Simulation einer Solarzelle (CD zum Schulbuch [02])

Hausaufgabe: AB zu geeigneten Anwendungen der Solarzelle und zur Verwendung der

Solarzelle unter wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten (angelehnt an [03] S. 19). Schüler sollen Argumente für und gegen die Nutzung von Solarzellen recherchieren und ihre eigene Meinung äußern.

 

 

11. Stunde (12.10.): LED als „Gegenstück“ zur Solarzelle

Lernziele:

Die Schüler…

·         beschreiben den Aufbau und die Wirkungsweise einer LED als „Gegenstück“ zur Solarzelle und zum LDR.

·         erweitern ihr Fachwissen, indem sie mit Hilfe einer Simulation erläutern, dass LEDs elektrische Energie in Lichtenergie umwandeln.

Methodenarbeit:

·         Lernen an Stationen mit Schülerversuchen und Informationsmaterialien zum Aufbau und zur Wirkungsweise einer LED

·         Präsentation der Ergebnisse im Plenum

Material:

1)    Für Lernstationen: Stromkreis mit verschiedenen LEDs, Laufzettel, Simulation einer LED (u.a. CD zum Schulbuch [02]), Informationstexte (u.a. [03] S. 37)

2)    Für Präsentation: OHP oder Visualizer und Simulation einer LED

 

12. Stunde (12.10.): LED – Lichtquelle der Zukunft? / Wiederholung zur Klassenarbeit

Lernziele:

Die Schüler…

·         erweitern die prozessbezogene Kompetenz Bewertung, indem sie ihr erlerntes Wissen über Halbleiter anwenden, um die Bedeutung der Halbleiter für die moderne Technik abzuwägen und die Verwendung von Solarzellen und LEDs zu bewerten.

Methodenarbeit:

·         Demonstrationsversuche: In der Unterrichtseinheit verwendete Simulationen werden genutzt, um das Wissen über Halbleiter zu bündeln

·         Diskussion über die Bedeutung von Halbleiterbauteilen (z.B. Solarzellen, LED) in der modernen Technik

Material:

·         Verschiedene Simulationen zu Halbleiterbauteilen, Bilder und evtl. Video (Sendung mit der Maus) zu Halbleiter-Bauteilen.

Hausaufgabe: Lernen für die Klassenarbeit.

 

13. Stunde (19.10.): Klassenarbeit zur Unterrichtseinheit Halbleiter

3. Verwendete Literatur

 

[01]     Appel, T. et al. (2009): Spektrum Physik 9/10, Niedersachsen, Schroedel Verlag

[02]     Arnold, K. et al. (2009): Fokus Physik – Gymnasium 9/10, Ausgabe N, Cornelsen Verlag

[03]     Bader, Franz & Oberholz, Heinz-Werner (2009): Dorn-Bader Physik 9/10 Gymnasium Niedersachsen, Schroedel Verlag

[04]     Berger, Veit (2006): Fachdidaktik: Physik-Didaktik: Praxishandbuch für die Sekundarstufe I und II, Cornelsen Scriptor Verlag

[05]     Bredthauer, W. et al. (2009): Impulse Physik 9/10, Niedersachsen, Ernst Klett Verlag

[06]     Boysen, Gerd et al. (2009): Fokus Physik – Gymnasium 9/10, Ausgabe N, Handreichungen für den Unterricht mit Kopiervorlagen, Cornelsen Verlag

[07]     Gymnasium Oesede (2012): Internes Curriculum Physik, Jahrgang 9

[08]     KC: Niedersächsisches Kultusministerium (2007): Kerncurriculum für das Gymnasium Schuljahrgänge 5 -10 Naturwissenschaften.

[09]     Kuhn, Wilfried & Müller, Rainer (2009): Kuhn Physik S I Niedersachsen, Westermann

[10]     Mikelskis-Seifert, H. F. & Rabe, T. (Hrsg.) (2007): Physik Methodik, Praxishandbuch für die Sekundarstufe I und II, Cornelsen Scriptor Verlag.

[11]     Osewold, Daniel (2012): Vom Elektronengasmodell zum pn-Übergang – Ein Unterrichtsgang zur Halbleiterphysik für die Sekundarstufe I. In: Naturwissenschaften im Unterricht – Physik, Nr. 128, S. 15-18

 

 

 

 

 

 



[1] Aufgrund der besseren Lesbarkeit sind mit der Bezeichnung im Folgenden stets Schülerinnen und Schüler gemeint


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