Wechselwirkung
Leitkonzept der ersten Hälfte: Licht trifft auf Materie und wird zurückgeworfen, gebrochen oder verschluckt.
Mustermodul · Modul 7.4
Licht, Auge, Bild
Optik, Sehen und das eigene Modellauge
Modul 7.4 verbindet die geometrische Optik mit der Biologie des Sehens. Aus zwei Gesetzen – Reflexion und Brechung – folgt alles Weitere: Spiegelbild, Linse, Bild und schließlich das Auge. Am Ende hat jede Person ein eigenes Modellauge gebaut, kalibriert und vermessen.
Klasse 7 36 Stunden · 18 Doppelstunden · 12 Stationen · 6 Wochen 161 Bewertungspunkte
Fachliche Grundlage
Die Konzepte, an denen das Modul hängt
Jedes Modul weist aus, an welche fachlichen Grundvorstellungen es anschließt und an welcher Station diese greifen.
Struktur und Funktion
Jedes Bauteil des Auges hat eine optische Aufgabe: Hornhaut und Linse bündeln, die Pupille regelt, die Netzhaut fängt auf, die dunkle Aderhaut schluckt Streulicht.
System und Zustand
Gegenstand, Linse und Bild bilden ein System. Keine dieser Größen lässt sich allein verändern.
Modellbildung und Modellgrenze
Der Lichtstrahl wird nicht als Wahrheit gesetzt, sondern eingeführt, angewendet und ausdrücklich begrenzt.
Mathematisierung
Winkelmessung am Gradbogen, Strahlensatz beim Schatten, Verhältnisgleichung von Bild- und Gegenstandsgröße, Kehrwert im Brechwert.
Wahrnehmung als Leistung
Die Netzhaut liefert Reize, das Gehirn baut daraus ein Bild – erkennbar an blindem Fleck, Nachbild und Täuschung.
Der Lernweg
Zwölf Stationen in einer festen Reihenfolge
Sieben Stationen sind quantitativ, zwei halbquantitativ, zwei qualitativ, eine ist reine Modellkritik. Die Reihenfolge ist nicht beliebig: Station 6 liefert die eigene Brennweite, Station 7 die Vorhersage der Bildweite, Station 10 den letzten Pflichtteil des Gutachtens.
-
1
Licht geht geradeaus – das Strahlenmodell Physik · qualitativ
Lochkarten und Spaltblende belegen die geradlinige Ausbreitung. Der Lichtstrahl wird als Modell eingeführt – als gedachte Linie, nicht als Gegenstand.
-
2
Schatten messen – Kern, Halb, Finsternis Physik · quantitativ
Kern- und Halbschatten an punktförmiger und ausgedehnter Lampe. Über den Strahlensatz wird aus Schattenlängen die Höhe zurückgerechnet.
-
3
Das Reflexionsgesetz Physik · quantitativ
An der Optikscheibe werden sechs Winkelpaare gemessen. Beide Winkel immer vom Lot aus, nie von der Spiegelfläche.
-
4
Das Bild im Spiegel – virtuell Physik · halbquantitativ
Bild- und Gegenstandsweite werden an drei Positionen nachgemessen. Die Schirmprobe zeigt, dass am Bildort kein Licht ankommt.
-
5
Brechung – und die Totalreflexion Physik · quantitativ
Am Halbzylinder und an der Wasserwanne werden Wertepaare aufgenommen; der Grenzwinkel führt zum Lichtleiter.
-
6
Die Sammellinse und ihre Brennweite Physik · quantitativ
Die Brennweite wird dreimal unabhängig im Fernobjektverfahren bestimmt. Daraus folgt der Brechwert – die Grundgröße des Projekts.
-
7
Bildkonstruktion und Abbildungsmaßstab Physik · quantitativ
Fünf Wertepaare von Gegenstands- und Bildweite, Konstruktion mit Parallel-, Mittelpunkt- und Brennpunktstrahl, Prüfung des Abbildungsmaßstabs.
-
8
Das Auge als optisches System Biologie und Physik · quantitativ
Zuordnung von Auge, Modellauge und Kamera: Hornhaut und Linse bündeln, die Pupille ist die Blende, die Netzhaut die Mattscheibe.
-
9
Netzhaut und Wahrnehmung Biologie · qualitativ
Stäbchen und Zapfen, blinder Fleck, Nachbilder und Rasterillusionen. Sehen ist mehr als Abbilden.
-
10
Fehlsichtigkeit und ihre Korrektur Physik und Biologie · quantitativ
Aus Fern- und Nahpunkt wird der nötige Brechwert berechnet. Alte, unbeschriftete Brillengläser werden selbst vermessen.
-
11
Farbe – Spektrum, Mischen, Filtern Physik und Biologie · halbquantitativ
Zerlegung am Prisma, additive und subtraktive Mischung – und warum ein rotes Objekt unter grünem Licht schwarz wirkt.
-
12
Optische Geräte – wo das Modell endet Physik · Modellkritik
Lupe, Kamera und Fernrohr im Strahlengangvergleich. Die vier Modellgrenzen des Moduls werden systematisch geprüft.
Einblicke ins Material
Was im Modul tatsächlich drinsteckt
Die folgenden Abbildungen stammen unverändert aus dem Unterrichtsmaterial des Moduls. Sie zeigen, auf welchem Niveau gearbeitet wird und wie die Fachinhalte aufbereitet sind.
Der Einstieg: Drei Lochkarten in einer Reihe zeigen, dass Licht sich geradlinig ausbreitet – und begründen zugleich den Sehsatz des Moduls.
Das Reflexionsgesetz an der Optikscheibe. Entscheidend ist, dass beide Winkel vom Lot aus gemessen werden – nicht von der Spiegelfläche.
Brechung am Übergang Luft–Glas mit Wertepaaren, dazu Totalreflexion ab dem Grenzwinkel und der Lichtleiter als Anwendung.
Die Schlüsselstation: Bildkonstruktion mit Parallel-, Mittelpunkt- und Brennpunktstrahl. Der Schnittpunkt ist der Bildpunkt.
Brennweitenbestimmung im Fernobjektverfahren – dreimal gemessen, mit Mittelwert und größter Abweichung. Diese Zahl trägt das ganze Projekt.
Die Entsprechung, um die es im ganzen Modul geht: Blende ist Pupille, Linse ist Augenlinse, Mattscheibe ist Netzhaut.
Stäbchen und Zapfen im Vergleich, dazu der blinde Fleck und ein Selbstversuch, mit dem er sich nachweisen lässt.
Kurz- und weitsichtig im Vergleich, jeweils mit der passenden Korrektur. Aus dem gemessenen Fernpunkt folgt der nötige Brechwert.
Die Bauteile des Modellauges auf einen Blick: Gehäuse, Blendenscheibe, Linse, Auszug mit Mattscheibe und der selbst geteilte Skalenstreifen.
Ein Ausschnitt, kein Ersatz.
Ein vollständiges Modul umfasst 25 Dokumente mit zusammen rund 900 bis 1 000
Seiten. Diese Auswahl zeigt den fachlichen Anspruch und die Machart – sie
ersetzt das Unterrichtsmaterial nicht. Das vollständige Material erhalten
Pilotschulen im Rahmen der Erprobung.
Sprachbildung
Fachsprache wird eingeführt, nicht vermieden
Modul 7.4 hat zwei bewertete Sprachregeln. Sie gehen ausdrücklich in die Fachnote ein, nicht in die Sprachnote – mit der Begründung, dass sie nicht den Ausdruck betreffen, sondern den Gegenstand.
1 · Keine nackte Zahl, keine nackte Linie
Jede Zahl steht mit Formelzeichen und Einheit – auch in Tabellenköpfen und an jeder Diagrammachse. Jede Zeichnung trägt Lot beziehungsweise optische Achse, Richtungspfeil auf jedem Strahl, beschriftete Winkel und bemaßte Weiten.
Merksatz: „Eine Zahl ohne Einheit ist keine Antwort, und eine Linie ohne Beschriftung ist keine Zeichnung."
2 · Der Sehsatz
Die Richtung des Lichts wird sprachlich festgelegt: Licht geht vom Gegenstand aus und fällt ins Auge – niemals umgekehrt.
„Ich sehe den Gegenstand, weil Licht von ihm ausgeht und in mein Auge fällt."
Redemittel für jede Arbeitsform
Die Satzbausteine des Moduls liefern für jede dieser Kategorien fertige Gerüste.
- Beobachten – ohne jede Erklärung
- Messen – Größe, Zahlenwert, Einheit und Messgerät
- Zeichnen und beschriften
- Der Sehsatz
- Rechnen – Formel, Einsetzen, Antwortsatz
- Vergleichen und Zuordnen
- Schlussfolgern und Begründen
- Modellkritik
- Projekt – Bau, Skalierung, Test, Optimierung
Wortschatz und Konnektoren
Dazu kommen 32 Wortschatzkarten mit Artikel, Plural, englischer Entsprechung und Beispielsatz, neun Konnektoren mit Wortstellungshinweis, eine Tabelle „Vom Alltagswort zum Fachwort" und ein Wortfeld mit zwölf Fachverben statt „machen" und „gehen".
Projektauftrag
Das Modellauge und das Optik-Gutachten
Auftraggeberin ist die Fachschaft Naturwissenschaften. Der historische Aufhänger: Kepler beschrieb 1604 als Erster, was im Auge geschieht – sein Mittel war nicht ein besseres Glas, sondern der Vergleich.
Produkt A
Das Modellauge
Eine Röhre mit mattschwarzer Innenwand als Aderhaut, auswechselbarer Blendenscheibe als Pupille, Sammellinse als Augenlinse und einem verschiebbaren Auszug mit Transparentpapier als Netzhaut – dazu ein selbst geteilter Skalenstreifen.
Produkt B
Das Optik-Gutachten
Zwölf Einträge, einer je Station, plus ein entschiedener Schlussfall. Jeder Eintrag hat fünf Pflichtteile: Messwerte, Rechnung, Strahlengangzeichnung, Ergebnis mit Abweichung und Sicherheitsstufe – und genau eine begründete Fehlerquelle.
Teil C
Die Präsentation
Sechs bis acht Minuten mit Gerät und Gutachten, danach zwei Minuten Fragen. Acht feste Teile von Auftrag und Ziel bis zu den Grenzen des Modells.
Messbare Abnahmekriterien
Die Anforderungsliste ist durchnummeriert und trägt in einer eigenen Spalte den geforderten Nachweis. Die Grundregel steht im Projektauftrag:
Ein Produkt, das eine MUSS-Anforderung verfehlt, gilt als nicht abgenommen – auch dann, wenn es sauber gebaut ist.
- Brennweite dreimal unabhängig im Fernobjektverfahren selbst bestimmt
- Bildweitenskala selbst geteilt, Nullpunkt in der Linsenmitte
- zwei Scharfstellungen mit einer Abweichung von höchstens fünf Millimetern
- Abbildungsmaßstab geprüft, Abweichung höchstens zehn Prozent
- Kurzsichtigkeit simuliert und mit der berechneten Zerstreuungslinse korrigiert
- Gehäuse lichtdicht, innen mattschwarz, Linse mittig und senkrecht
Die Optimierungsschleife
Zum Projekt gehört eine dokumentierte Optimierungsschleife: erster Test mit Zahl, physikalisch begründete Schwachstelle, genau eine Änderung mit schriftlicher Vorhersage, zweiter Test unter denselben Bedingungen, Vergleich. Bewertet wird die Durchführung, nicht das Ergebnis.
Eine Änderung ohne zweiten Test bringt null Punkte. Und: nur eine Änderung pro Schleife.
Aus der Unterrichtspraxis
Typische Fehlvorstellungen – und was dagegen hilft
Das Lehrerhandbuch benennt zu jeder Station den Stolperstein, der erfahrungsgemäß am häufigsten auftritt, und die Gegenstrategie.
Mein Auge schickt Sehstrahlen aus.
Der einfachste Gegenbeweis ist der dunkle Raum. Die Regel lautet: Jeder Pfeil zeigt zum Auge hin, nie vom Auge weg.
Ein Lichtstrahl ist ein dünner Faden aus Licht.
Der Lichtstrahl ist eine gedachte Linie. Macht man den Spalt ganz schmal, wird der Streifen nicht schärfer, sondern breiter und flau.
Winkel misst man von der Spiegelfläche aus.
Zweithäufigster Fachfehler: Wer von der Fläche misst, erhält den Ergänzungswinkel und findet das Reflexionsgesetz nicht.
Das Spiegelbild sitzt auf dem Spiegel.
Ein Karton an der Bildstelle bleibt dunkel, weil dort kein Licht ankommt. Die Strahlen kommen nur scheinbar von dort – deshalb gestrichelt.
Die halbe Linse macht ein halbes Bild.
Es entsteht dasselbe Bild, nur lichtschwächer: Jeder Bildpunkt wird von einem Bündel über die ganze Linsenfläche erzeugt.
Kurzsichtig heißt, man sieht schlecht.
Kurzsichtig heißt: Der Brennpunkt liegt vor der Netzhaut und der Fernpunkt im Endlichen. Nahes wird sogar besonders gut gesehen.
Differenzierung
Dieselbe Anforderung, mehr Gerüst
Die Sprachstützenfassung ist kein leichterer Inhalt, sondern dieselbe Anforderung mit mehr sprachlichem Gerüst.
Die Sprachstützenfassung enthält
- vorgegebene Satzanfänge und eine Wortbank
- vorstrukturierte Wertetabellen mit eingetragenen Einheiten
- Konstruktionsblätter mit vorgezeichneter optischer Achse und eingetragenen Brennpunkten
- kürzere Sätze im Fachtext und Worterklärungen am Rand
Hilfekarten in vier Stufen
- Stufe 1 · Impuls
- Eine Rückfrage, die auf die Lücke zeigt: „Welche beiden Strahlen kannst du ohne Rechnung zeichnen — und wo schneiden sie sich?"
- Stufe 2 · Teilschritt
- Der erste Schritt wird vorgemacht: optische Achse zeichnen, Brennpunkte beidseitig eintragen.
- Stufe 3 · Rechenweg
- Formel und Einsetzen stehen da, das Ergebnis fehlt.
- Stufe 4 · Musterlösung
- Vollständige Lösung zum Abgleich.
Vier Stufen zu allen zwölf Stationen, dazu vier Projektkarten für die typischen Bauprobleme. Die genutzte Karte wird im Logbuch angekreuzt – das kostet keine Punkte.
Für schnelle Gruppen
- die KANN-Anforderungen umsetzen: Wasserlinse, Farbfilter, blinder Fleck auf der Mattscheibe
- aus der eigenen Messreihe eine nicht gemessene Bildweite vorhersagen und nachmessen
- eine zweite Optimierungsschleife durchführen und beide vergleichen
Für Gruppen, die mehr Zeit brauchen
- Messreihen arbeitsteilig aufnehmen: einstellen – ablesen – schreiben
- Gutachten mit sechs statt zwölf Einträgen beginnen; der Schlussfall bleibt Pflicht
- das Modellauge in Partnerarbeit bauen – Brennweite und eine Scharfstellung macht jede Person selbst
Material
Was zu diesem Modul gehört
Die Materialbox ist für sechs parallel arbeitende Gruppen ausgelegt und in neun Kapitel gegliedert – von den Geräten, die in der Box bleiben, über das Material je Station bis zur Bestandskontrolle. Jede Mengenangabe steht doppelt: für die Klasse und für einen einzelnen Gruppentisch.
Der Basis-Materialkoffer des Moduls: Linsensätze, Blenden, Farbfilter, Spiegel, optische Bauteile und Messmittel in fester Fachaufteilung.
Die projektspezifische Materialbox: alles für den Bau des Modellauges – Gehäuse- und Auszugsröhren, Linsen, Blendenscheiben, Skalenstreifen und Werkzeug.
Lehrerhandbuch, Versuchsanleitungen und Stationenanleitungen, dazu die Wortschatzkarten mit Fachbegriff, Erklärung und Abbildung.
Das Schülermaterial: Logbuch als Forschungstagebuch, Fachtexte in zwei Sprachfassungen und der Modulabschlusstest.
Die Gerätegruppen der Materialliste
Licht erzeugen und begrenzen
Lichtkästen mit Netzteil, Spaltblenden, L-Blenden, punktförmige und ausgedehnte Lampen.
Messen und Zeichnen
Optikscheiben mit Gradteilung, Maßbänder, Lineale, Geodreiecke, Millimeterpapier und Rasterkarton.
Spiegeln und Brechen
Planspiegel, 45°-Spiegelpaare für das Periskop, Acryl-Halbzylinder, Prismen und Wasserwannen.
Linsen und optische Bank
Sammel- und Zerstreuungslinsensätze mit ausgewiesenem Kennwert, Mattscheiben, optische Bänke mit Reitern.
Auge und Wahrnehmung
Zerlegbare Augenmodelle, Wandbilder, Sehtafeln, Karten für blinden Fleck und Nachbilder, Farbfilterfolien.
Projektmaterial Modellauge
Gehäuse- und Auszugsröhren, Projektlinsen, Blendenscheiben, Transparentpapier, Skalenstreifen und lichtdichtes Klebeband.
Ersatzlösungen
Für zehn Geräte nennt die Materialliste eine Ersatzlösung – vom aufgedruckten Winkelmesser statt der Optikscheibe bis zum Meterstab auf Bücherstapeln statt der optischen Bank. Der Grundsatz: Die Ersatzlösung ändert die Genauigkeit, nicht die Aussage. Welche Variante verwendet wurde, wird im Logbuch notiert, damit die größere Unsicherheit später als Fehlerquelle benannt werden kann.
Vorbereitung mit Vorlauf
Der Zeitplan der Lehrkraft umfasst sechs Stufen mit Begründung – von der Absprache mit der Biologielehrkraft zwei Wochen vorher bis zum Zentrieren der Linsen am Morgen. Der wichtigste Punkt steht eine Woche vorher: ein Modellauge selbst bauen, die Skala teilen und beide Scharfstellungen durchmessen.
Sicherheit
Sechs Sicherheitsregeln, die vor dem ersten Stationstag besprochen und im Logbuch abgezeichnet werden. Laser sind ausschließlich Lehrerdemonstration. Alle Sehversuche sind ausdrücklich freiwillig, und Messwerte werden anonym notiert – das wird vor den betreffenden Stationen angesagt, nicht erst auf Nachfrage.
Bewertung
Wie die 161 Punkte zustande kommen
Die Bewertung ist über die gesamte Reihe gleich aufgebaut. Das macht Leistungen zwischen Modulen vergleichbar und für Lernende vorhersehbar.
| Bestandteil | Punkte | Erhebung |
|---|---|---|
| Produkt A · Modellauge | 70 | Bau und Funktion 25 · Brennweite und Bildweitenskala 25 · Genauigkeitsnachweis 20 |
| Produkt B · Optik-Gutachten | 25 | zwölf Einträge 20 · entschiedener Schlussfall 5 |
| Optimierungsschleife | 15 | im Logbuch dokumentiert |
| Präsentation | 21 | davon 4 Punkte rein sprachlich |
| Modulabschlusstest | 30 | 8 Aufgaben in 45 Minuten |
| Gesamt | 161 | Projektanteil 110 Punkte · Einzelleistung 51 Punkte |
Getrennte Sprachnote.
Sprachliche Leistung wird eigens ausgewiesen und geht nicht in die Fachnote
ein. Folgefehler werden nur einmal gewertet. Bei der Optimierungsschleife wird
die Durchführung bewertet, nicht das Ergebnis.
Aus dem Material
Sätze, die den Ton des Moduls zeigen
„Ich sehe den Gegenstand, weil Licht von ihm ausgeht und in mein Auge fällt."
Pflichtformulierung des Moduls, Lehrerhandbuch und Satzbausteine
„Eine Zahl ohne Einheit ist keine Antwort, und eine Linie ohne Beschriftung ist keine Zeichnung."
Satzbausteine, Merksatz zu Sprachregel 1
„Zeigt jeder Pfeil meiner Zeichnung von der Lichtquelle oder vom beleuchteten Gegenstand zum Auge? Wenn nein, habe ich die Physik umgedreht."
Lehrerhandbuch, „Der zentrale Stolperstein dieses Moduls"
„Wer sagt „das Bild ist weiter hinten", hat nichts gemessen."
Modulplan, Kapitel 1
„Das Modellauge stellt scharf, indem die Netzhaut verschoben wird; das echte Auge verformt die Linse, denn der Augapfel ist starr."
Satzbausteine, Kategorie Modellkritik
Das zweite Mustermodul.
Modul 7.6 „Pflanzen – Bau und Leistung" ist in derselben Tiefe
dargestellt – ein Modul mit anderem Leitfach und anderem Projektprodukt.
Pflanzen – Bau und Leistung ansehen
Pflanzen – Bau und Leistung ansehen
Interesse an diesem Modul?
Merken Sie sich unverbindlich vor. Wenn Sie das Modul im Unterricht erproben möchten, ist die Bewerbung als Pilotschule der passende Weg – Pilotschulen erhalten das vollständige Material.
Die Vormerkung ist unverbindlich. Es erfolgt keine Bestellung und keine Zahlung. Wir informieren Sie über Pilotphase, Preis und möglichen Verkaufsstart.