Der Prozess des Hörens als Gegenstand des Sachlernens

Weshalb ist die Frage, wie das Hören funktioniert, relevant?

Im Alltag hängen Hören und Sehen eng zusammen. Wir nehmen ein Geräusch hinter uns wahr und drehen uns um, um zu sehen, was dort passiert. Im Straßenverkehr hören wir Fahrzeuge aus einer Richtung näherkommen, schauen hin und bleiben stehen, damit wir nicht überfahren werden. Wenn wir uns unterhalten, schauen wir unsere Gesprächspartner*in an und hören ihr zu. Und wenn wir selbst sprechen, unterstützen wir das Gesagte mit Gestik und Mimik.

Auch im Erwerb der Sprache hängen Hören und Sehen zusammen. Michael Tomasello (2011) hat darauf hingewiesen, dass am Anfang der Sprachentwicklung von Kindern die Fähigkeit zum Teilen von Absichten steht. Noch bevor Kinder zu sprechen beginnen, lernen sie Zeigegesten zu verstehen und zu verwenden. Tomasello (S. 84) zufolge liegt der Fähigkeit zum Teilen von Absichten eine grundlegende spezifisch menschliche Fähigkeit zu kooperieren zugrunde. Dieser Fähigkeit besteht nach Tomasello zum einen aus der kognitiven Fähigkeit zur Erzeugung gemeinsamer Aufmerksamkeit sowie gemeinsamer Absichten und zum anderen aus den sozialen Motivationen, anderen zu helfen und Dinge mit anderen zu teilen (S. 84).

Mit Tomasello kann man also sagen, dass das Sehen es uns ermöglicht, uns etwas von anderen zeigen zu lassen und anderen etwas zu zeigen. Dabei lenken wir zunächst akustisch die Aufmerksamkeit auf uns, nutzen also die Fähigkeit andere zu hören, und zeigen dann auf etwas, um unsere Aufmerksamkeit gemeinsam auf etwas Drittes zu richten. Das Zeigen funktioniert dann besonders gut, wenn das, worauf wir die gemeinsame Aufmerksamkeit richten, direkt anwesend und damit sichtbar ist. Die Aufmerksamkeit auf Dinge, die nicht anwesend sind, zu richten, ist dann allerdings viel schwieriger. Die Sprache und das Hören bieten uns dann ein sehr viel breiteres Arsenal an Möglichkeiten, um die gemeinsame Aufmerksamkeit auf nicht anwesende Dinge und Abläufe zu richten und gemeinsame Absichten zu verfolgen.

Da das Hören und das Sehen von so grundlegender Bedeutung für die Kooperation zwischen Menschen sind, ist die Frage, wie diese Wahrnehmungsprozesse funktionieren, relevant. Die Funktionsweisen des Hörens und Sehens sind recht verschieden. Wir können um die Ecke hören, aber nur mit Hilfe eines Spiegels um die Ecke sehen. Sehen können wir nur, wenn es zumindest ein bisschen Licht gibt. Das Hören funktioniert aber auch in absoluter Dunkelheit. Entsprechend verwundert es nicht, dass die Naturwissenschaft mit der Akustik und der Optik zwei verschiedene Gegenstandsgebiete hervorgebracht hat, in denen Phänomene des Hörens und des Sehens getrennt voneinander untersucht werden.

Ein fachdidaktischer Zugang

Im Folgenden soll es darum gehen, wie die Funktionsweise des Hörens mit Kindern zum Thema gemacht werden kann. Ausgangspunkt sind dabei fachdidaktische Überlegungen. In den letzten 20 Jahren hat sich im deutschsprachigen Raum das Modell der didaktischen Rekonstruktion (Kattmann, Duit, Gropengiesser & Komorek, 1997; Gropengießer, 2018) als ein möglicher Denkansatz, der die Planung von Bildungsgelegenheiten und Unterricht im Hinblick auf Sachthemen rahmen kann, etabliert. Die Grundidee ist dabei, in der Planung gleichberechtigt sowohl von einer fachlichen Klärung, als auch von einer Lernpotential-Diagnose auszugehen. Dabei besteht das Hauptziel der fachlichen Klärung darin herauszuarbeiten, welche Vorstellungen angemessen und tragfähig sind, um das Phänomen verstehen zu können. Ausgangspunkt ist die Lernpotential-Diagnose,  mit Hilfe derer  festgestellt wird, mit welchen Vorstellungen und Einstellungen die Lernenden in die geplante Lernsituation hineingehen und welche Lernfortschrittsmöglichkeiten (in Abgleich mit der fachlichen Klärung) im jeweiligen Thema enthalten sind. Jene elementaren Vorstellungen, die als tragfähig identifiziert werden können, dienen als Basis, um naturwissenschaftliche Phänomene verstehen und erklären zu können.

Vorstellungen von Kindern zum Hören

Befragt man Kinder im Kindergarten- und Grundschulalter dazu, wie ein Klang oder ein Geräusch vom Ort seiner Entstehung zu unserem Ohr kommt, so erhält man häufig Antworten wie „Der Ton fliegt durch die Luft“ (Wulf & Euler, 1995/2011). Fordert man Kinder auf, diesen Prozess zu skizzieren, so zeichnen sie oft eine Linie vom Ort der Entstehung bis zum Ohr. Diese Linien sind dabei in der Regel nicht geradlinig, sondern können geschwungen sein. Die Töne „vagabundieren“ durch den Raum, wie Wulf und Euler (1995/2011, S. 43) schreiben. Und manche Kinder stellen sich vor, dass der Ton dann vom Ohr auch wieder zurückfliegt. Womit sie erklären, weshalb der Ton, der von einem Instrument wie einer Gitarre ausgeht, einige Zeit nach dem Anzupfen der Saite wieder aufhört.

Diese Vorstellungen sind zunächst sehr plausibel. Schon Aristoteles war davon ausgegangen, dass sich alle Naturveränderungen letztlich auf Bewegungen im Raum zurückführen lassen und die Bewegung im Raum damit die fundamentalste Form der Naturveränderung darstellt (Aristoteles Physik; siehe dazu Kosler, 2016). Seit Galilei und Newton beschäftigen wir uns in der neuzeitlichen Physik vor allem mit der Bewegung von Körpern. Seit dieser Zeit ist es in Europa ein gängiger Denkansatz bei Naturphänomenen nach (manchmal unsichtbaren) Teilchen zu suchen, die das jeweilige Phänomen erklären können. Das erscheint uns heute auch deshalb als plausibel, weil wir uns alle Körper, die wir kennen, als aufgebaut aus unsichtbaren kleinsten Teilchen vorstellten (den Atomen und Molekülen). Die Denkweise der Kinder ist zudem naheliegend, da wir in Bildern, in denen die Ausbreitung von Musik dargestellt wird, häufig Noten finden, die durch die Luft zu den Hörer*innen fliegen.

Fachliche Vorstellungen vom Hören

Wenn die Vorstellung dieser Kinder stimmen würde, dann wäre unser Ohr bloß ein Loch, durch das der Ton in uns hineinkommt. Der fertige Ton, der hoch oder tief, laut oder leise sein kann, müsste dann nur zu uns kommen. Dass dies nicht der Fall ist, wissen viele Kinder in der Primarstufe auch schon. Auf die Frage, was wir zum Hören brauchen, benennen sie häufig das Ohr und das Trommelfell, und manche Kinder wissen sogar, dass es eine Weiterleitung vom Ohr ans Gehirn gibt oder dass der Ton erst im Gehirn entsteht (Rehm, Reiter & Kosler, in Vorbereitung).

Ausgehend vom Vagabundier-Modell des Hörens könnten wir auf die Frage, weshalb Töne offensichtlich aus dem Nebenraum durch offene Türen bis zu uns kommen können und in leiserer Form auch durch Wände dringen können, keine plausible Antwort finden. Die Vorstellung, dass Töne als fertige Sinneseindrücke durch die Luft zu uns fliegen, ist also nicht sehr tragfähig, um uns grundlegende Phänomene des Hörens verständlich zu machen.

Die Alternative dazu ist die Idee, dass sich manche Ausbreitungsphänomene als Ausbreitung von Wellen verstehen lassen.

Davon wissen einige Kinder im Grundschulalter und manche auch im Kindergartenalter bereits ( Rehm, Reiter & Kosler, in Vorbereitung). Diese Kinder antworten auf die Frage, wie Töne und Geräusche zu uns kommen: „Eine Schallwelle kommt zum Ohr.“ In der Regel können Kinder, die in diesem Alter von Schallwellen sprechen, noch nicht näher erklären, was eine Schallwelle ist. Manche Kinder sprechen davon, dass Töne zum Ohr fliegen und Schallwellen zum Ohr kommen auch gleichzeitig. Vielleicht ist das auch plausibel: Man könnte sich ja vorstellen, dass Töne durch Wellen zu uns getragen werden, so wie ein Wasserball im Meer von Wellen transportiert wird. Es gibt aber auch Kinder, die den Prozess der Ausbreitung eines Geräusches ausdrücklich mit der Ausbreitung einer Welle im Wasser vergleichen (Rehm, Reiter & Kosler, in Vorbereitung).

Was ist nun aber eine Schallwelle? Eine Schallwelle ist eine ganz andere Möglichkeit, wie sich etwas ausbreiten kann. Wenn wir ein Geräusch oder einen Ton hören, dann wackelt irgendwo etwas. Wir zupfen zum Beispiel an einer Saite der Gitarre oder wir schlagen das Fell einer Trommel an. Die Saite und das Fell der Trommel wackeln dann, sie bewegen sich also hin und her (in der Physik wird dies als Schwingen bezeichnet). Wenn die Saite und das Fell hin und her wackeln, dann stoßen sie die in ihrer Umgebung befindlichen Luftmoleküle an. Diese beginnen dadurch ebenfalls zu wackeln. Sie stoßen in Folge die nächsten Moleküle an und geben so das Wackeln weiter. Eine Schallwelle ist also die Weitergabe eines Wackelns. Da es sich bei einer Schallwelle um einen Prozess handelt, schaut man sich eine Schallwelle in der Bildungsarbeit mit Kindern am besten im Modell oder in einer Animation an, um eine klarere Vorstellung davon zu bekommen.

Tatsächlich breitet sich eine Schallwelle in alle Richtungen aus. Das sieht aus wie die kreisförmigen Ringe auf der Wasseroberfläche, wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Entscheidend dabei ist, dass sich bei einer Schallwelle keine Objekte ausbreiten. Die einzelnen Luftmoleküle bewegen sich nur hin und her, genau wie die Saite oder das Fell. Was sich ausbreitet, ist lediglich das Wackeln.

Kommt die Schallwelle beim Trommelfell in unserem Ohr an, so beginnen auch die letzten Luftmoleküle direkt vor dem Trommelfell zu schwingen. Sie stoßen dabei auch das Trommelfell an und dieses beginnt selbst zu schwingen. Über die Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel wird das Wackeln im Mittelohr (das sich an das Trommelfell anschließt) bis zum Innenohr mechanisch übertragen. Der Steigbügel liegt direkt an einer Membran (dem ovalen Fenster) an der Hörschnecke (der Cochlea) an. Dadurch wird das Wackeln in die Hörschnecke übertragen. In der Hörschnecke beginnt dann eine Flüssigkeit (Perilymphe) ebenfalls zu schwingen.

Was leistet nun die Hörschnecke? Die Hörschnecke ist eine Art Detektor. Sie filtert heraus, wie schnell das Wackeln ist, wie oft also zuerst Gitarrensaite oder Trommel und in der Folge dann die einzelnen Luftmoleküle, das Trommelfell, die Gehörknöchelchen und schließlich das ovale Fenster in einer bestimmten Zeit hin und her schwingen. Diese Schnelligkeit, mit der etwas schwingt, bezeichnen wir als Frequenz einer Schwingung. Wir messen sie in der Einheit Hertz. Schwingt ein Körper 443 mal in der Sekunde hin und her, so sagen wir, der Körper schwingt mit 443 Hertz. 443 Hertz ist die Frequenz des Kammertons A. Schlagen wir also eine Stimmgabel mit dem Kammerton A an, so beginnt zuerst die Stimmgabel 443 mal pro Sekunde hin und her zu schwingen. Genau diese Schnelligkeit des Wackelns (diese Frequenz) wird dann auch auf die Luftmoleküle, das Trommelfell, die Knöchelchen und das ovale Fenster im Ohr übertragen. Für das Herausfiltern dieser Frequenz ist ein bestimmter Teil in der Hörschnecke verantwortlich. Dieser gibt dann ein neuronales Signal ans Gehirn weiter. Den Höreindruck, der zu einer Schwingung der Frequenz 443 Hertz gehört, erzeugt also erst das Gehirn. Das bedeutet auch, dass wir im luftleeren Raum keine Töne hören können. Klingelt beispielsweise ein Wecker in einem Vakuum (also einem Raum, dem die Luft entzogen wurde), so können wir dieses Klingeln nicht hören, da im Raum um den Wecker kein Wackeln weitergegeben werden kann.

Wie kann man mit Kindern diesen Prozess des Hörens erarbeiten?

Wie oben im Abschnitt zum fachdidaktischen Zugang erläutert, geht es im Sinne einer didaktischen Rekonstruktion zunächst darum, die wesentlichen Elemente einer Erklärung des betrachteten Phänomens herauszuarbeiten. Dies ist im Abschnitt zu den fachlichen Vorstellungen zum Hören bereits geschehen. Eine genauere Beschreibung der Funktionsweise der Cochlea erfolgt unten im Abschnitt „Was passiert im Ohr?“. Es gibt noch sehr viele Details, zum Prozess des Hörens, die ebenfalls spannend wären. Dass in allen Musikinstrumenten Resonanzkörper enthalten sind und wie diese funktionieren, wird hier insgesamt ausgelassen. Und dass die Luftmoleküle nicht nur aufgrund einer Schallwelle wackeln, sondern unabhängig davon auch schon eine Wärmebewegung machen und daher bereits hin und her wackeln, wird ebenfalls ausgelassen.

Neben der bereits vorgenommenen Elementarisierung ist es sinnvoll die pädagogische Arbeit auf wenige Kernbotschaften zu beziehen, die mit den Kindern gemeinsam erarbeitet werden. Inhaltlich geht es dabei darum, den Kindern zu ermöglichen, sich von der Vorstellung, ein Ton als fertiger Höreindruck würde wie ein Ball durch die Luft fliegen, zu verabschieden und sich als Alternative dazu ein Grundverständnis von einer Schallwelle als Mechanismus, in dem ein Wackeln weitergegeben wird, zu erarbeiten. Ergänzend dazu soll eine Grundidee davon angebahnt werden, wie das Wackeln im Ohr dann verarbeitet wird. Da die Vorstellungen der Kinder vom Hören verändert und erweitert werden sollen, ist es wichtig, die Kinder immer wieder einzuladen, zunächst Vermutungen darüber anzustellen, was passieren wird, dann auszuprobieren, was tatsächlich passiert und dies wiederum zu verbalisieren, um schließlich gemeinsam nach Erklärungen dafür zu suchen, warum dies passiert. Ein solches Vorgehen wird als forschendes Lernen (siehe z. B. IMST Newsletter, 2020) bezeichnet. Eine bewährte Unterrichtsform, die das forschende Lernen unterstützt, ist der Stationenbetrieb, in dem die Kinder jeweils in kleinen Teams an einem Versuch arbeiten. Das eigenständige Arbeiten kann dann durch ein Forschertagebuch oder einzelne Forschungsblätter unterstützt werden, mit Hilfe derer die Kinder diese Phasen (Vermuten, Ausprobieren und Beobachten, Aufschreiben, Erklären) durchlaufen und die Ergebnisse verschriftlichen. Damit die Kinder, eigenständig auf mögliche Zusammenhänge und Erklärungsansätze kommen, ist es hilfreich, dass sie den beobachteten Vorgang skizzieren. Die Verwendung von Skizzen ist schon in der Wissenschaft selbst ein zentrales Hilfsmittel, um die Gedanken auf das Wesentliche zu konzentrieren (Lehrer & Schauble, 2005; Kosler, 2016). Daher sollte es Kindern ermöglicht werden, sich dieses Hilfsmittel für das Hervorbringen von Erklärungen und Argumenten anzueignen (Kosler, 2018; Stiller, Skorsetz, Kosler, Laimböck & Pech 2023). Zudem sind Skizzen von Kindern ein Hilfsmittel sowohl zur Förderung der Kommunikation und Argumentation unter den Kindern als auch für die Pädagog*in, um zu sehen, was die Kinder denken, und um sie in ihren Überlegungen durch Rückfragen und Hinweise zu unterstützen (Lehrer, Schauble, Carpenter & Penner, 2000). Beispielhafte Forschungsbögen für die im folgenden beschriebenen Versuche finden sich hier

In den folgenden Abschnitten wird ein Unterrichtsentwurf für die Grundschule beschrieben, der auf den hier dargestellten Überlegungen zur fachlichen Klärung und den bekannten Vorstellungen von Schüler*innen zum Vorgang des Hörens basiert. Der Unterrichtsentwurf wurde im Projekt „Primarhörer*innen“ an der PH Tirol in Kooperation mit der Firma Med-El Medical Electronics entwickelt und an drei Grundschulen in Tirol in der zweiten bis vierten Klasse erprobt.

Wenn wir etwas hören, dann wackelt irgendwo etwas

Im ersten Schritt in der Erarbeitung der Funktionsweise des Hörens geht es darum, herauszuarbeiten, dass immer etwas wackelt, wenn wir etwas hören. Es empfiehlt sich hier ein Stationenbetrieb (siehe oben) mit verschiedenen Versuchen, damit die Kinder den Umstand, dass etwas wackelt, wenn wir etwas hören, an verschiedenen Beispielen entdecken und nachvollziehen können. Sie lernen dabei auch, dass derselbe Zusammenhang von Klangerzeugung und Wackeln in ganz unterschiedlichen Aufbauten auftritt und insofern auch auf weitere Situationen übertragen werden kann. Diese erste Einheit umfasst vier Versuche, die im Folgenden beschrieben werden.

1 Das Lineal

In einem ersten Versuch wird ein 15 cm langes Edelstahllineal an einer Seite auf einen Tisch aufgelegt, sodass ein Teil des Lineals über die Tischkante hinausragt. An der Kante des Tisches wird das Lineal fest auf den Tisch gedrückt. Das freie Ende des Lineals wird mit dem Finger angezupft. Die Kinder variieren die Länge des Überstandes und hören und schauen, was sich dabei ändert. Die Kinder können hier entdecken, dass der Ton tiefer ist, wenn das Lineal weiter übersteht, und dass der Ton höher wird, wenn das Lineal weniger übersteht. Wenn man die Kinder bittet, genau hinzuschauen, ob sich in zwei Situationen mit unterschiedlich starkem Überstand auch Unterschiede sehen lassen, benennen einige, dass das Lineal, wenn es weiter übersteht, langsamer wackelt (oder in der Sprechweise der Kinder: „auf und ab geht“). Es ist sinnvoll, den Kindern den Tipp zu geben, dass sie das Lineal direkt an der Tischkante stark auf den Tisch drücken sollten. Andernfalls klappert das Lineal auf dem Tisch und dieses Geräusch überlagert den eigentlichen Ton und es ist schwerer, die Tonhöhenunterschiede zu bemerken.

Eine Herausforderung beim forschenden Lernen zum Hörprozess besteht darin, dass diejenigen Schwingungen, die wir hören können (20 Hertz bis 20.000 Hertz) für unser Auge nicht sichtbar sind. Um Schwingungen im menschlichen Hörbereich für das Auge beobachtbar zu machen, eignet sich ein 15 cm langes Edelstahllineal (Idee zu diesem Versuch: Jonen, Nachtigäller, Baumann & Möller, 2008). Steht das Lineal weit über die Tischkante über, so schwingt es gerade so schnell, dass der Ton noch zu hören ist, und ist dabei langsam genug, sodass wir das Lineal zumindest in den Umkehrpunkten oben und unten sehen können.

Ein dünnes Metalllineal steht ca. 10 cm über die Tischkante hinaus. Auf der Tischplatte wird es festgedrückt. Ein Finger drückt das überstehende Lineal-Teil nach unten und lässt es dann los. Das Lineal-Stück wackelt.
Abb. 1:  Schwingendes Lineal (Quelle: Harald Madreiter)

Wir sehen also nicht wirklich, wie das Lineal auf und ab schwingt. Aber wir sehen doch mehr, als wenn das Lineal nur wenig übersteht. Dann ist das Lineal so schnell, dass wir das Auf und Ab gar nicht sehen können. Und dieser Umstand bringt zumindest einige Kinder auf die Idee, dass das Lineal bei größerem Überstand langsamer schwingt. Ein viel längeres Lineal (40 cm) schwingt so langsam, dass wir das Lineal bei seiner Schwingung wirklich verfolgen können, aber wir hören keinen Ton, weil unser Ohr so langsame Schwingungen nicht wahrnehmen kann.

Wenn die Kinder beobachten, wie sich die Bewegungen des Lineals bei zwei verschiedenen Überständen unterscheiden, so bemerken sie mehrere Aspekte. Die Kinder erkennen nicht nur, dass das Lineal unterschiedlich schnell auf und ab schwingt. Sie sehen auch, dass das Lineal bei längerem Überstand weiter auf und ab schwingt (also stärker ausschlägt) und dass es eine längere Zeit schwingt (es also länger dauert, bis es aufhört zu schwingen). Der stärkere Ausschlag bewirkt normalerweise, dass der jeweilige Ton lauter ist. Schlage ich eine Trommel oder einen Klangstab stärker an, so ist der Klang lauter. Beim Lineal ist der tiefe Ton leider nicht lauter als der hohe, obwohl bei gleich starkem Anzupfen das Lineal bei größerem Überstand weiter auf und ab schwingt. Das liegt daran, dass das weit überstehende Lineal einen so tiefen Ton erzeugt, dass wir an die Grenze unseres Hörvermögens stoßen und die Schwingung uns daher nicht mehr lauter erscheint, als die Schwingung des weniger überstehenden Lineals, dessen Frequenz dann von unserem Ohr besser verarbeitet werden kann.

2 Die Gummiband-Gitarre

Ein zweiter Versuch besteht aus vier unterschiedlich langen Gummibändern, die über eine Aufbewahrungsbox aus Kunststoff (2 Liter Fassungsvermögen) gespannt werden.

Über ein rechteckiges Plastikgefäß sind vier dünne Gummibänder gespannt. Eines davon wird mit zwei Fingern gezupft. Es wackelt.
Abb. 2:  Gummibandgitarre (Quelle: Harald Madreiter)

Die Kinder werden gebeten, die Gummibänder anzuzupfen, zu hören und zu beobachten, was ihnen auffällt. Die Kinder entdecken dabei, dass die Gummibänder unterschiedlich hoch klingen. Auf die Rückfrage, warum dies so ist, benennen die Kinder, dass die Gummibänder unterschiedlich lang sind. Manchen Kindern fällt auch auf, dass die Bänder deshalb unterschiedlich stark gespannt sind. Hier ist in der Regel die Rückfrage der Lehrperson notwendig, damit die Kinder ins Nachdenken darüber kommen, wie die unterschiedliche Länge bzw. das Unterschiedlich-stark-gespannt-Sein mit der Tonhöhe zusammenhängen könnte. Ein Tipp kann darin bestehen, die Kinder anhand von zwei sehr unterschiedlich stark gespannten Gummibändern nochmals zu bitten, die Bewegung der Gummibänder zu vergleichen. Einige Kinder kommen dann darauf, dass die Gummibänder unterschiedlich schnell „auf und ab gehen.“ Wie schon beim Lineal fällt einigen Kindern aber auch auf, dass das weniger stark gespannte Gummiband sich weiter auf und ab bewegt und dass es auch eine längere Zeit schwingt.

3 Trommel mit Papier

Ein dritter Versuch besteht aus einer Trommel, auf der Papierkügelchen platziert sind. Die Trommel wird angeschlagen und die Papierkügelchen springen auf und ab.

Auf einer Trommel liegen einige kleine, zusammengeknüllte Papierkügelchen. Die Trommel wird mit einem Schlägel angeschlagen, einige der Papierkügelchen springen auf.
Abb. 3:  Trommel mit Papierkügelchen (Quelle: Harald Madreiter)

Um die Aufmerksamkeit der Kinder auf Wesentliches zu richten, ist es hier nützlich, sie zu fragen, weshalb die Kügelchen auf und ab springen, obwohl der Schlägel, mit dem die Trommel angeschlagen wird, die Kügelchen doch selbst gar nicht berührt. Dieser Hinweis lenkt die Aufmerksamkeit der Kinder darauf, wie genau das Trommelfell sich bewegt, nachdem es angeschlagen wurde. Auch bei diesem Versuch ist eine Querschnittszeichnung des Versuches nützlich, da die Kinder daran das Trommelfell im Moment des Anschlagens genau einzeichnen und anhand der Skizze die Bewegung, die es dann vollzieht, beschreiben können. Manche Kinder vergleichen die Trommel und die Bewegung dann mit einem Trampolin, auf dem sie selbst springen. Springt auf dem Trampolin eine andere Person, so werde ich selbst hochgeworfen. Die durch das Anschlagen des Trommelfells entstehende Auf- und Abbewegung des Trommelfells lässt also die Kügelchen hochspringen.

4 Klangstab

Ein vierter Versuch besteht aus einem Klangstab und einem Schlägel. Die Kinder werden aufgefordert, den Klangstab mit dem Schlägel anzuschlagen und dann den Finger auf den Klangstab zu legen.

Ein metallener Klangstab wird mit einem Schlägel angeschlagen.
Abb. 4:  Klangstab (Quelle: Harald Madreiter)

Die Kinder bemerken, dass durch das Anschlagen des Klangstabes ein Klang entsteht und dass dieser abrupt aufhört, sobald der Finger auf den Stab gelegt wird. Vor allem, wenn die Kinder zuvor einen oder mehrere der anderen Versuche durchgeführt haben, kommen sie schnell darauf, dass der Klangstab durch das Anschlagen wohl vibrieren oder wackeln muss und dass dieses Wackeln durch das Auflegen des Fingers gestoppt wird. Dieser Versuch ist insofern wichtig, als die Idee, dass etwas wackelt, wenn wir etwas hören, nun auch auf ein Objekt erweitert wird, das sehr hart ist und bei dem wir normalerweise nicht auf die Idee kommen würden, dass es sich auch bewegen kann.

Wie kommt das Wackeln von einem Ort zum anderen?

Der zweite Schritt besteht nun darin, zu verstehen, wie das Wackeln von dem Ort, an dem es erzeugt wird, an unser Ohr kommt. Dazu wurden im Projekt Primarhörer*innen wiederum vier Versuche eingesetzt.

1 Zwei Trommeln mit Ball

Ein erster Versuch besteht aus zwei Trommeln, die parallel zueinander vertikal auf einem Tisch im Abstand von etwa 20 Zentimetern positioniert werden (die Idee stammt aus der Sesamstraße Folge 2915 „Laut ist besser!“). An der zweiten Trommel wird ein Tischtennisball so befestigt, dass er von einer Schnur (einem Garn), die am oberen Rand der Trommel befestigt ist, herabhängt, sodass der Ball an der Schnur hängend das Trommelfell mittig berührt.

Zwei Trommeln werden mit ca. 15 cm Abstand parallel nebeneinandergestellt. An einer hängt an einer Schnur ein Tischtennisball. Dieser hat ca. 1 cm Abstand vom Zentrum des Felles der Trommel. Die andere Trommel wird mit einem Schlägel angeschlagen.
Abb. 5:  2 Trommeln mit Tischtennisball (Quelle: Harald Madreiter)

Dann wird die erste Trommel mit einem Schlägel angeschlagen. Die Kinder können beobachten, dass der Tischtennisball zur Seite fliegt, wenn die erste Trommel mit einem Schlägel angeschlagen wird. Die Frage lautet nun, weshalb der Tischtennisball an der zweiten Trommel in Bewegung versetzt wird, wenn die erste Trommel angeschlagen wird.

Nach einigem Nachdenken benennen die Kinder, dass es die Luft zwischen den Trommeln sein muss, die das Wackeln weitergibt. Wichtig ist an dieser Stelle, nachzufragen, wie die Luft das Wackeln von einer Trommel zur nächsten weitergibt. Es gibt hier zwei Denkmöglichkeiten, die von Kindern genannt werden. Entweder werden Luftteilchen vom Trommelfell der ersten Trommel angeschlagen und fliegen dann zur zweiten Trommel, schlagen so auf das Fell der zweiten Trommel, versetzen dies in Bewegung und das zweite Fell schlägt dann den Tischtennisball an. Dann wäre das Phänomen vergleichbar mit Wind oder mit dem Auspusten einer Kerze. Beim Wind bewegen sich ebenfalls Luftteilchen und der Wind kann dann im Herbst Blätter transportieren oder bei starken Böen auch Menschen anschieben. Oder die Luftteilchen direkt vor dem ersten Fell werden angeschlagen und schlagen dann die nächsten Luftteilchen an und immer weiter, bis die Luftteilchen kurz vor dem zweiten Fell angeschlagen werden, die dann das Fell anschlagen, das dann den Tischtennisball anschlägt. Das entspricht in der Grundidee dem Prinzip der Schallwelle. Es bewegt sich also kein Teilchen von der einen Trommel zur anderen, sondern ein Stoß oder ein Wackeln wandert von der einen Trommel zur anderen. Beide Vorstellungen sind zunächst plausibel. Da sich Schallwellen nicht sichtbar machen lassen, weil die Frequenz der für uns hörbaren Schwingungen für unser Auge nicht sichtbar sind, kann hier leider kein Versuch aufgebaut werden, an dem beobachtbar wäre, welche Vorstellung stimmt. Es können aber Überlegungen angestellt werden, welche Vorstellung plausibler ist. Bei einem Sturm können wir um die nächste Hausecke gehen und dann sind wir meist in einem Windschatten und der Wind ist nicht mehr so stark. Töne hören wir aber auch um Hausecken herum. Dass die Ausbreitung des Wackelns von einer Trommel zur nächsten durch einen Wind geschieht, ist daher nicht sehr plausibel. Am Beispiel der Wasserwelle lässt sich dagegen ein Versuch mit einer Wasserwanne aufbauen, der zeigt, dass Wellen auch um Ecken herum kommen. Letztlich ist die Windidee auch insofern unplausibel, weil dann ja dort, wo die erste Trommel angeschlagen wird, auch ständig (solange ein Ton zu hören ist) Luft nachkommen müsste. Da der Ton der Trommel in allen Richtungen um die Trommel herum zu hören ist, müssten sich der Wind in alle Richtungen ausbreiten, ohne dass es einen Zugang gäbe, über den Luft nachströmen könnte.

2 Zwei Trommeln mit Papier

Eine Trommel liegt am Tisch. Darauf sind kleine, zusammengeknüllte Papierkügelchen verteilt. Eine zweite Trommel wird ca. 15 cm oberhalb der liegenden gehalten. Die obere wird mit einem Schlägel angeschlagen.
Abb. 6: 2 Trommeln mit Papier (Quelle: Harald Madreiter)

Ein zweiter Versuch besteht aus zwei Trommeln. Eine erste Trommel wird in der Hand gehalten und mit einem Schlägel stark angeschlagen. Eine zweite Trommel liegt nah darunter auf dem Tisch und ist wieder mit Papierkügelchen auf dem Fell versehen.

Die Kinder beobachten, dass die Papierkügelchen auf der zweiten Trommel zu tanzen oder zu hüpfen beginnen. Da sie den Aufbau mit den Kügelchen schon aus der ersten Versuchsreihe zum Thema „Wenn wir etwas hören, wackelt irgendwo etwas“ kennen, ist ihnen schon klar, dass das Fell der zweiten Trommel zum Vibrieren gebracht wird und dadurch die Kügelchen in Bewegung versetzt werden. Für die Übertragung des Wackelns von der einen Trommel zur anderen können von den Kindern wieder die beiden schon im ersten Versuch genannten Vorstellungen genannt werden.

3 Versuch Tambourin vor dem Bauch

Ein dritter Versuch besteht aus einer Trommel, die sich die Kinder mit etwas Abstand von ca. 10 Zentimetern vertikal vor den Bauch halten und sie dann stark anschlagen.

Ein Mann hält eine Trommel mit ca. 20 cm Abstand vor seinem Bauch. Mit einem Schlägel schlägt er die Trommel an.
Abb. 7:  Tambourin vor dem Bauch (Quelle: Harald Madreiter)

Um einen möglichst deutlichen Effekt zu bekommen, ist ein Tambourin, dessen Fell sich spannen lässt, hier sinnvoll (Idee siehe: Jonen, Nachtigäller, Baumann & Möller, 2008). Die Kinder spüren beim Anschlagen der Trommel ein Grummeln am Bauch. Der Versuch wird so oft wiederholt, bis alle Kinder des jeweiligen Forschungsteams das Grummeln am eigenen Bauch gespürt haben. Auch hier gibt es wieder die beiden schon genannten Vorstellungsmöglichkeiten dazu, wie das Wackeln von der Trommel zum Bauch gelangen kann.

4 Der Luftballon

Ein vierter Versuch besteht aus einem Luftballon, den sich die Kinder mit beiden Händen (möglichst so, dass alle zehn Fingerkuppen den Ballon berühren) etwa 15 Zentimeter vor den Mund halten. Sie sprechen dann laut und deutlich ihren eigenen Namen (Idee: Jonen, Nachtigäller, Baumann & Möller, 2008).

Ein Mann hält einen Luftballon mit beiden Händen vor seinem Gesicht. An seinem Mund erkennt man, dass er spricht.
Abb. 8:  Luftballon vor Gesicht (Quelle: Harald Madreiter)

Die Kinder spüren dann ein Vibrieren des Luftballons an ihren Fingerkuppen. Auch hier gibt es wieder die beiden schon genannten Denkmöglichkeiten, wie das Wackeln von den eigenen Stimmbändern zum Luftballon kommen kann.Da die Unsichtbarkeit der Luftteilchen und das Argumentieren über diese nicht sichtbaren Luftteilchen eine starke Abstraktionsleistung von den Kindern verlangt, ist es auch hier sehr nützlich, wenn die Kinder aufgefordert werden, in ihrer Arbeit an den Versuchen Skizzen davon zu machen, wie das Wackeln weitergeben wird. Das Anfertigen der Skizzen bringt die Kinder dazu, ihre Vorstellungen noch weiter zu konkretisieren und miteinander zu besprechen. Auch in der Plenumsauswertung sollte mit Skizzen und mit Analogien, wie den erwähnten zum Wind, zum Auspusten einer Kerze und mit der Wasserwelle gearbeitet werden, damit die Kinder die abstrakten Vorstellungen mit ihren Alltagserfahrungen und ihrem Alltagswissen verknüpfen können. Sinnvoll ist es, in der Auswertung bei jedem Versuch immer wieder neu die Frage zu stellen, wie das Wackeln vom einen zum anderen Ort kommt und die Erklärung dazu auch jedes Mal wieder von einem anderen Kind beschreiben zu lassen, damit die Kinder sehen, dass es immer wieder dieselbe Beschreibung ist, mit der die Weitergabe des Wackelns erklärt wird.

Das Resultat des Arbeitens mit den acht aufgeführten Versuchen besteht also darin, dass die Kinder sich mit Unterstützung der jeweiligen Lehrperson ein Grundverständnis davon erschließen, dass Töne und Geräusche dadurch entstehen, dass etwas zum Wackeln gebracht wird und sich dieses Wackeln über die Luftteilchen ausbreiten und andernorts wieder etwas zum Wackeln bringen kann. Wenn das soweit gelungen ist, dann haben sich die Kinder etwas sehr Grundlegendes erschlossen. Betrachtet man die Veränderungsprozesse auf der Erde als Ganzes, so spielt der Strom von Stoffen und Energie eine zentrale Rolle. Mit Stoffströmen wie dem Fliegen von Bällen, dem Fließen von Wasser oder der Windbewegung sind Kinder bereits frühzeitig vertraut. Dass Energie in Form von Schall- oder Lichtwellen aber auch ohne den Transport von Teilchen weitergeben werden kann, geht über unser Alltagsdenken deutlich hinaus.

Es ist sicher schön, wenn Kinder sich schon im Kindergarten und in der Grundschule solche grundlegenden Einsichten darin, wie die Welt verstanden werden kann, erschließen. Aber diese Beschreibung der Bedeutung der Schallwelle ist nur für den Erwachsenen, der überschauen kann, welche Bedeutung das Konzept der Welle in der Naturwissenschaft hat, überzeugend. Für den Kindergarten und die Grundschule ist es gar nicht der Auftrag, Grundeinsichten aus der Fachsystematik einer Wissenschaft, die erst in der späteren Bildungslaufbahn der Kinder in ihrer Bedeutung ersichtlich werden, zu adressieren. Das Ziel bei der Erschließung naturwissenschaftlicher Erklärungen für Phänomene besteht im Elementar- und Primarbereich darin, Kindern am Beispiel zu zeigen, dass ein für sie und in ihrer Lebenswelt interessantes Phänomen besser verstanden werden kann, wenn man sich einer naturwissenschaftlichen Herangehensweise (über Versuche, Skizzen und Argumentieren) bedient und dabei auch naturwissenschaftliche Konzepte (Wackeln, Schnelligkeit von Wackeln, Ausbreitung von Wackeln) nutzt (Giest, 2009). Das für die Kinder interessante Phänomen ist sicher nicht das physikalische Thema Schall, sondern das in unserem Alltag wichtige Phänomen, dass wir andere hören und andere uns hören und dass wir so miteinander kooperieren können. Insofern waren die acht Versuche nur eine Vorbereitung, um sich jetzt genauer damit beschäftigen zu können, wie das Hören funktioniert.

Was passiert im Ohr?

Das Hören ist ein Prozess: von der Entstehung eines Wackelns über die Ausbreitung des Wackelns als Schallwelle, über die Anregung eines Wackelns am Trommelfell und die Weitergabe durch die Gehörknöchelchen im Mittelohr bis zur Verarbeitung des Wackelns in der Hörschnecke und im Gehirn. Die übliche lehrbuchartige Beschreibung dieses Prozesses geschieht anhand von Skizzen, die jeweils einzelne Momente im Ablauf des Prozesses (Wackeln einer Stimmgabel, Momentaufnahme der Luftteilchen der dadurch ausgelösten Schallwelle, Querschnittszeichnung von Außenohr, Mittelohr und Hörschnecke) darstellen (Bear, Conners & Paradiso, 2018). Im Projekt Primarhörer*innen wurde der Versuch unternommen, ein Modell des Hörvorganges bereitzustellen, das die Schallwelle und die Verarbeitung der Schwingung im Mittelohr und der Cochlea veranschaulicht, indem ein Wackeln von Hand ausgelöst und dann über die Schallwelle, die Gehörknöchelchen und die Gehörschnecke verfolgt werden kann.

Das Modell wurde gemeinsam von der Firma Med-El Medical Electronics und der PH Tirol entwickelt und realisiert. Es wird im Folgenden in seinem Aufbau und seiner Funktion beschrieben. Das Modell kann Online in Form von Videos verwendet werden. Im Projekt „Hörmodell 2.0“ der PH Tirol, einem Teilprojekt des FFG-Projektes „INNALP Education Hub“, wird aktuell eine Version des Modells entwickelt, die sich mit einem im Handel erhältlichen Modellbaukasten nachbauen und dann auch in Bildungseinrichtungen verwenden lässt. Das Modell vom Hörvorgang besteht zunächst aus einem Modell der Schallwelle. Im Modell sind längliche Holzkörper über dünne Rundhölzer an zwei Aluschienen aufgehängt:

Viele flache Holzstäbe mit einem dickeren, runden Ende sind in regelmäßigen Abständen hintereinander angebracht.
Abb. 9:  Modell der Schallwelle (Quelle: Harald Madreiter)

Der untere kreisförmige Teil der Holzkörper stellt die Luftmoleküle dar. In diesen unteren Teil sind starke Neodym-Magnete integriert, die immer so eingebaut sind, dass sich zwei benachbarte Holzkörper gegenseitig abstoßen. Ein Anstoßen des ersten Holzkörpers auf der einen Seite des Modells führt dann dazu, dass das Wackeln sich von einem Holzkörper auf den nächsten überträgt, bis das Wackeln am anderen Ende des Modells angekommen ist (Platzhalter: Link Video Harald Madreiter). Dabei läuft eine Verdichtung der Holzkörper durch das Modell hindurch. Das Modell dient dazu, die in der Unterrichtseinheit „Wie kommt das Wackeln von einem Ort an den anderen“ angebahnte Vorstellung von einer Schallwelle zu konkretisieren. Wichtig ist dabei, mit den Kindern nochmal zu wiederholen, dass in der Schallwelle nicht ein „Luftmolekül“ durch das Modell wandert, sondern, dass nur ein Wackeln weitergeben wird.

An das Modell der Schallwelle ist direkt ein Modell des Mittelohrs mit den drei Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel angeschlossen. Das Trommelfell ist als ovale Holzscheibe ausgeführt, in die ebenfalls ein Magnet eingebaut ist, sodass das letzte „Luftmolekül“ das Wackeln an das „Trommelfell“ übertragen kann:

Aus dünnen Holzplatten wurden die Gehörknöchelchen nachgebaut. Die Holzteile sind mit jeweils einer Schraube miteinander verbunden, die Bewegungsübertragung ist so möglich.
Abb. 10: Modell des Mittelohrs (Quelle: Harald Madreiter)

Im Video lässt sich nachvollziehen, wie das Wackeln, das am „Trommelfell“ ankommt, durch die Knöchelchen weitergeben wird. An den Steigbügel schließt eine Schnur an. An der Schnur sind in gleichen Abständen Pendelkörper von zunehmender Pendellänge angehängt. Dieser Aufbau stellt das Modell der Hörschnecke dar. Das Modell ist der Hörschnecke in der Form nicht ähnlich. Es ist ein Modell der Funktionsweise der Hörschnecke. Der Steigbügel überträgt das Wackeln auf die Schnur und die Schnur regt die Pendelkörper zum Schwingen an:

Durch einen Raum ist eine Schnur gespannt. In regelmäßigen Abständen hängen daran frei schwingend Holzstäbe mit zylindrischen Papierenden.
Abb. 11: Modell der Cochlea (Quelle: Harald Madreiter)

Wird ein Wackeln einer langsamen Frequenz mit dem Finger direkt am „Trommelfell“ angeregt (das ist für die Kinder leichter zu machen, als wenn sie ganz am Anfang des Modells die Schallwelle anregen), so beginnen zunächst für kurze Zeit alle Pendelkörper zu schwingen. Nach einiger Zeit schwingen aber nur noch ein oder zwei Pendelkörper im hinter Bereich der Hörschnecke. Regt man ein Wackeln mit einer höheren Frequenz am „Trommelfell“ an, so beginnen ebenfalls kurz alle Pendelkörper zu schwingen. Aber auch hier schwingen nach kurzer Zeit nur noch ein oder zwei Pendel und diesmal im vorderen Bereich der „Hörschnecke“. Videos für beide Situationen finden sich unter diesem Link.

Die Kinder können anhand des Modells also selbst erkunden, was die Hörschnecke leistet. Sie fungiert als Detektor. Sie filtert heraus, wie schnell das Wackeln ist, das am Trommelfell ankommt. An dem Teil der Hörschnecke, der sich so stark bewegt, sitzen jeweils Haarzellen, die die Information, dass dieser Teil der Hörschnecke mitschwingt über elektrische Impulse (neuronale Signale) an das Gehirn weiterleitet. Der Höreindruck, den wir als hoch oder tief, laut oder leise wahrnehmen, wird dann erst im Gehirn erzeugt. Der Mechanismus, dass im Modell der Hörschnecke immer ein bestimmter Pendelkörper besonders stark mitschwingt, ist für die Kinder faszinierend aber zunächst auch rätselhaft. Er lässt sich aber anhand einer Analogie leicht plausibilisieren. Wenn ein Kind schaukelt und dabei von einer erwachsenen Person angeschubst wird, dann schaukelt das Kind immer höher, wenn die erwachsene Person das Kind immer genau im richtigen Moment anschubst. Schubst man zu früh, so wird das Kind gebremst. Genauso verhält es sich bei den Pendelkörpern im Modell. Da die Pendel alle unterschiedlich lang sind, brauchen sie auch unterschiedlich lang, um einmal hin- und zurückzuschwingen. So wie eine Schaukel mit langen Seilen auch länger zum Hin- und Herschwingen braucht, als eine Schaukel mit kurzen Seilen. Das Seil hat also nur für ein oder zwei Pendel den passenden Takt, der die Schwingung der Pendel antreibt. Daher schwingen diese Pendel dann immer stärker, während die übrigen Pendel aufhören zu schwingen.

In der Hörschnecke selbst befinden sich keine Pendel und auch keine Schnur. Das wäre auch unpraktisch, da dann alle Pendel herunterfallen würden, wenn wir einen Kopfstand machen. Die Hörschnecke sieht von außen tatsächlich ähnlich dem Gehäuse einer Schnecke aus und sie hat innen einen Kanal, der sich einmal spiralförmig bis in die Spitze der Schnecke hoch- und dann wieder herunterwindet.

Die Skizze zeigt einen Querschnitt durch die Hörschnecke. Daraus wird ersichtlich, dass es einen Schneckengang nach oben gibt, und einen parallel verlaufenden nach unten. Im nach oben verlaufenden befindet sich das ovale Fenster mit dem Steigbügel, im nach unten verlaufenden das runde Fenster.
Abb. 12: Skizze einer Hörschnecke (eigene Abbildung)

Der aufsteigende und der absteigende Kanal sind durch die Basilarmembran voneinander getrennt. Die Rolle der Schnur im Modell übernimmt hier eine Flüssigkeit, die den Kanal füllt. Der Steigbügel schließt an eine Membran (das ovale Fenster) an. Die Membran wird durch den Steigbügel in die Hörschnecke hineingedrückt und herausgezogen. Dieses Wackeln wird auf die Flüssigkeit (Perilymphe) übertragen. Die Flüssigkeit wird also hineingedrückt und wieder zurückgezogen. Das Spektakuläre an der Hörschnecke ist nun, dass die Flüssigkeit nicht durch den gesamten Kanal in der Hörschnecke gedrückt wird, sondern nur bis zu einer bestimmten Stelle. Die Basilarmembran wird (obwohl der Kanal, in dem sie liegt, bis zur Spitze der Schnecke immer schmaler wird) immer breiter, je tiefer sie sich in der Hörschnecke befindet. Damit wird die Membran aber auch immer wabbeliger, je breiter sie wird. Das kann man mit einer Schwimmflosse vergleichen, die auch immer wabbeliger wird, je breiter sie vorne wird. Zu jeder Frequenz, mit der die Flüssigkeit durch den Steigbügel in Schwingung versetzt wird, gibt es irgendwo auf der Basilarmembran eine Stelle, für die die Frequenz „passt“ und die Membran wird dann dort von der Flüssigkeit eingedellt. Die Flüssigkeit bewegt sich also nur bis zu dieser Stelle in die Hörschnecke. Der Teil der Flüssigkeit, der hinter der ausweichenden Basilarmembran liegt, wird dann gar nicht bewegt. Die Basilarmembran übernimmt also in der echten Hörschnecke die Funktion der Pendelkörper im Modell. Auf der Basilarmembran sitzen (vereinfacht gesprochen) die Haarzellen, die die neuronalen Signale ans Gehirn senden, wenn die Membran sich an dieser Stelle bewegt. Eine genauere Beschreibung des faszinierenden Vorganges, bei der auch deutlich wird, dass das Hören kein rein passiver Prozess ist, sondern das Gehirn aufgrund von Erwartungen, welche Geräusche als nächstes kommen, die Hörschnecke darauf einstellt, findet sich in Bear, Conners und Paradiso (2018).

Im Unterricht ahnen die Kinder in der Regel, dass wir keine Pendel im Ohr haben und fragen auch danach, wie das bei uns im Ohr funktioniert. Wenn man ihnen erklärt, dass im Ohr eine Flüssigkeit schwingt und die Haarzellen in Wirklichkeit auf einer Membran sitzen, die dann an einer bestimmten Stelle in Bewegung versetzt wird, reicht das den Kindern in der Regel. Das dürfte im erprobten Unterricht aber auch daran liegen, dass solche Fragen ja am Ende einer 90minütigen Auseinandersetzung mit dem Hörmodell gestellt werden, wenn die Konzentrationsfähigkeit dann bei vielen Kindern trotz des praktischen Arbeitens am Modell auch deutlich nachlässt. Wollte man den Hörvorgang noch weiter vertiefen, so ließen sich in einer weiteren Einheit die Signalweitergabe und -verarbeitung im Gehirn noch genauer bearbeiten. Nützlich wäre dann sicher ein Modell der neuronalen Verarbeitung in der Hörschnecke. Denkbar wäre hier ein Murmelmodell, das sich ans bestehende Modell anschließen ließe.

Können wir im Weltraum etwas hören?

Als ein geeigneter Abschluss für so einen Minimal-Unterricht zum Vorgang des Hörens hat sich ein letzter Versuch erwiesen, der es ermöglicht zu prüfen, inwieweit die Kinder in der Lage sind, ihre Vorstellungen vom Prozess des Hörens auch auf neue Situationen zu übertragen.

In einem Vakuumgefäß aus Kunststoff steht ein analoger Wecker. Mittels einer Pumpe wird oben aus dem Vakuumgefäß Luft herausgepumpt.
Abb. 13: Wecker im Vakuum (Quelle: Harald Madreiter)

Dazu wird der Alarm eines Weckers eingeschaltet. Der Wecker wird in einem Vakuumgefriergefäß positioniert und dieses dann verschlossen. Dann wird mit einer mechanischen Vakuumpumpe die Luft aus dem Vakuumgefäß gepumpt. Die Vakuumpumpe kann den Kindern als umgekehrte Luftpumpe erläutert werden. Wenn wir bei einem Fahrrad Luft in den Reifen pumpen, dann ermöglicht es das Ventil, dass wir Luft hineinpumpen, diese Luft aber nicht mehr herauskommt. Das Ventil am Vakuumgefäß funktioniert genau umgekehrt. Wir können Luft herauspumpen, aber es kommt keine Luft mehr ins Gefäß zurück. Die Kinder hören, dass das Alarmgeräusch immer leiser wird, je länger Luft aus dem Gefäß herausgepumpt wird. Sind die Kinder sehr eifrig beim Pumpen, so gelingt es ihnen, das Alarmgeräusch fast vollständig zum Verschwinden zu bringen. Gerade wenn das nicht so gut gelingt, ist es nützlich, alle zum genauen Hinhören aufzufordern und dann das Ventil zu öffnen. Auch wenn der Alarm noch ganz leise zu hören war, so wird der Alarm nach dem Öffnen des Ventils doch schlagartig lauter. Wenn das Herausarbeiten der Idee einer Schallwelle im Teil zur Weitergabe des Wackelns und auch die Arbeit mit dem Modell der Schallwelle gut funktioniert hat, so gibt es sofort Kinder, die benennen können, dass ohne Luftteilchen kein Wackeln weitergegeben werden kann und wir daher nichts mehr hören können. Dass es leiser wird, sobald schon ein Teil der Luft abgepumpt wird, kann sehr schön am Schallwellenmodell veranschaulicht werden. Wenn mehrere „Luftmoleküle“ abgebauten werden, dann wird der Abstand der „Luftmoleküle“ zueinander immer größer und sie übertragen kaum noch ein Wackeln auf das nächste „Luftmolekül“. In luftleeren Räumen wie dem Weltraum können wir also nichts hören.

Der Vakuumversuch ist auch insofern nützlich, als er mit dem Modell der Schallwelle und dem Modell aus Mittelohr und Hörschnecke zu einem Stationenbetrieb kombiniert werden kann. Die Kinder bearbeiten dann in Forschungsteams im Wechsel alle drei Versuche und zum Abschluss im Plenum werden die gesammelten Erkenntnisse besprochen. Dieser Versuch ist in der Regel auch für Erwachsene faszinierend und zeigt uns vielleicht auch, dass wir alle insgeheim ebenfalls davon ausgehen, Töne würden als fertige Höreindrücke zu uns fliegen.

Literatur:

  • Aristoteles (1987). Aristoteles’ Physik. Vorlesung über Natur. Halbband 1. Bücher I(A)-IV(∆),griech.-dt., übers., mit e. Einf. u. mit Anm. hrg. von Hans Günter Zekl. Meiner.
  • Aristoteles (1988). Aristoteles’ Physik. Vorlesung über Natur. Halbband 2. Bücher V(E)-VIII(Θ), griech.-dt., übers., mit e. Einf. u. mit Anm. hrg. von Hans Günter Zekl. Meiner.
  • Bear, F. M., Connors, B.W. & Paradiso, M. A. (2018). Neurowissenschaften. Springer.
  • Giest, H. (2009). Zur Didaktik des Sachunterrichts. Aktuelle Probleme, Fragen und Antworten. Universitätsverlag Potsdam.
  • Gropengießer, H. (2018). Vortrag im Symposium „Didaktische Rekonstruktion: Best practices and next steps“. Universität Zürich und Pädagogische Hochschule Zürich 21.-22. Juni 2018.
  • IMST Newsletter (2020). Forschendes Lernen. Abgerufen am 03.03.2023 von https://www.imst.ac.at/eintraege/newsletterarchiv/bereich_id:50
  • Johnen, A., Nachtigäller, I., Baumann, S. & Möller, K. (2008). Schall – was ist das? Klasse(n)kisten für den Sachunterricht. Spectra.
  • Kattmann, U., Duit, R., Gropengießer, H. & Komorek, M. (1997). Das Modell der Didaktischen Rekonstruktion – Ein Rahmen für naturwissenschaftsdidaktische Forschung und Entwicklung. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 3(3), 3–18.
  • Kosler, T. (2016). Naturwissenschaftliche Bildung im Elementar- und Primarbereich. Zum naturwissenschaftlichen Denken mit Kindern im Kontext einer nachhaltigen Entwicklung. Klinkhard.
  • Kosler, T. (2018). Repräsentieren als naturwissenschaftliche Handlungsweise. Potentiale für den Sachunterricht. In U. Franz, H. Giest, A. Hartinger, A. Heinrich-Dönges & B. Reinhoffer (Hrsg.), Handeln im Sachunterricht – konzeptionelle Begründungen und empirische Befunde (S. 85–92). Klinkhardt.
  • Lehrer, R. & Schauble, L. (2005). Developing Modeling and Argument in the Elementary Grades. In
    T. A. Romberg, T. P. Carpenter & F. Dremock (Hrsg.), Understanding Mathematics and Science Matters
    (S. 29–53). Lawrence Erlbaum.
  • Lehrer, R., Schauble, L., Carpenter, S. & Penner, D. (2000). The Interrelated Development of Inscriptions and Conceptual Understanding. In P. Cobb, E. Yackel & K. McClain (Hrsg.), Symbolizing and Communicating in Mathematics Classrooms. Perspectives on Discourse, Tools, and Instructional Design (S. 325–360). Lawrence Erlbaum.
  • Rehm, W., Reiter, C. & Kosler, T. (in Vorbereitung). Hören im Sachunterricht – Phänomenographische Analyse der Erlebensweise von Kindern.
  • Rincke, K. (2009). Aus dem Rauschen der volle Klang. Modellexperimente zur Klangentstehung in Orgel und Flöte. Naturwissenschaften im Unterricht Physik, 114, 14–19.
  • Stiller, J., Skorsetz, N., Kosler, T., Laimböck, J. & Pech, D. (2023). Wissenschaftliches Denken im Sach­unterricht – Eine Gegenüberstellung perspektivenübergreifender und perspektivenspezifischer Zugänge. GDSU-Journal, Mai 2023, Heft 14, 18-33.
  • Tomasello, M. (2011). Die Ursprünge der menschlichen Kommunikation. Suhrkamp.
  • Wulf, P. & Euler, M. (1995/2011). Ein Ton fliegt durch die Luft. Vorstellungen von Primarstufenkindern zum Phänomenbereich Schall, Physik in der Schule 33, S. 254–260, [wiederabgedruckt in R. Müller, R. Wodzinski & M. Hopf (Hrsg.)(2011), Schülervorstellungen in der Physik (S. 39–45). Aulis].

Forschungsbögen

Kosler, T. (2023). Hörmodell 2.0 – Primarhörer:innen: Forschungsbögen.

 

Modell der Cochlea

Madreiter, H. (Produzent). (2023). Hörmodell 2.0 – Primarhörer:innen:
Modell einer Cochlea. [Kurzfilm; edukatives Video].
Thorsten Kosler

Ich arbeite als Hochschulprofessor für Fachdidaktik Naturwissenschaften an der Pädagogischen Hochschule Tirol in Innsbruck.

Dort entwickle und erprobe ich Lernumgebungen für den Sachunterricht.

Es ist mir ein Anliegen, dabei an den Vorstellungen der Schüler*innen anzusetzen und ihnen Hilfsmittel des Denkens, wie z. B. das Arbeiten mit Skizzen, zugänglich zu machen.