Physikdidaktik | Methoden und Inhalte

Wenn Lehrerinnen und Lehrer Veröffentlichungen aktueller Unterrichtsforschung folgen wollen, sollten sie beurteilen können, ob die Ergebnisse Aussagekraft besitzen. Die gängigen Kriterien seriöser Forschung werden zwar immer neu diskutiert, sie enthalten aber immer Maße der Objektivität, Reliabilität und Validität. In diesem Kapitel wird erklärt welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit Messergebnissen und Verallgemeinerungen getraut werden kann.

Im Falle einfacher Mittelwertbestimmungen, die auch zum Handwerkszeug von Physiklehrkräften gehören, sind die Kriterien einfach, aber schon bei Korrelationen zwischen unterschiedlichen Variablen muss man wissen, welche Aussagen überhaupt gemacht werden können. Um Beziehungen zwischen mehreren Variablen aufzuklären, wie z. B. welche Einflüsse zwischen Migrationshintergrund, Sozialstatus und kognitiven Fähigkeiten festzustellen sind und wie diese Variablen wiederum auf Schulerfolg wirken, müssen komplexere Rechenmodelle herangezogen werden.

Ausgangspunkt für alle Untersuchungen muss ein valides theoretisches Modell sein, in dem die zu untersuchenden Variablen mit den vermuteten Einflüssen und Einflussrichtungen aufgeführt sind. In den nächsten Jahren werden wir immer genauere Aussagen über den Zusammenhang zwischen bestimmten Maßnahmen im Unterricht und ihren Wirkungen erhalten, deshalb ist es für (angehende) Lehrerinnen und Lehrer besonders wichtig, Forschungsergebnisse zu verstehen, um die Relevanz und die Qualität empirischer Forschung für ihre Arbeit im Klassenraum einschätzen zu können.

Empirische Untersuchungen sollten nicht nach der Art der verwendeten Untersuchungsmethode, sondern nach ihren Ergebnissen, ihrer Funktion und ihrem Stellenwert für den Wissenschaftsprozess beurteilt werden. (Bortz und Döring, Forschungsmethoden und Evaluation. Für Human- und Sozialwissenschaftler, S. 303, Springer Medizin, Heidelberg, 2015)

In Deutschland gibt es 16 landesspezifische Konzepte der Lehreraus- und Fortbildung, die nur durch Beschlüsse der Ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder (KMK) ein Minimum an Vergleichbarkeit erhalten. Interessenten an bundeslandspezifischen Bedingungen müssen die regionalen Informationsquellen hinzuzuziehen. Einen Zugang hierzu vermittelt die Ständige Konferenz der Kultusminister (KMK) mit dem regelmäßig aktualisierten Sachstand in der Lehrerbildung. Die KMK sieht eine wesentliche Aufgabe z. B. darin, zur Gleichwertigkeit von Studienbedingungen und Studienabschlüssen beizutragen.

In diesem Kapitel werden deshalb Tendenzen identifiziert und das Gemeinsame von Reformen der deutschen Lehrerausbildung der letzten Jahre herausgearbeitet (Abb. 3.1). Sowohl die organisationsstrukturellen Reformen in der ersten Phase der Lehrerausbildung und die physikbezogenen inhaltlichen Veränderungen in den Lehramtsstudiengängen werden dargestellt als auch die Entwicklungen und Perspektiven der Lehrerfortbildung.

Der Kompetenzdefinition von Weinert folgend entsteht Professionskompetenz von Lehrkräften aus der Fähigkeit, die grundlegenden Konzepte und Wissensbestände der beteiligten Fachwissenschaften so anwenden zu wollen, dass die Lernprozesse der Schülerinnen und Schüler eine optimale Basis haben. Professionskompetenz kann also in Kompetenzbereichen strukturiert werden. Neben Fachwissen, das wiederum aus fachdidaktischem, fachlichem (physikalischem) und bildungswissenschaftlichem Wissen zusammengesetzt ist, zählen aktuell die motivationale Orientierung, Überzeugungen und Werthaltungen und selbstregulative Fähigkeiten zu den Bereichen, in denen Lehrkräfte kompetent sein müssten, um gut zu unterrichten. Das Fachwissen und darin besonders das fachliche Wissen, ist damit eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für gutes Unterrichten. Die anderen Kompetenzbereiche formulieren weitere Rahmenbedingungen, wie den Umgang mit den vielfältigen Belastungen der Profession, die Erhaltung der Belastbarkeit, Stressbewältigung, die Reflexion der eigenen Einstellungen und Werthaltungen gegenüber Schülerinnen und Schülern, Eltern, Schulsystem und Lernen. Speziell in der Physik als empirischem Fach zählt dazu ebenfalls die epistemologische Reflexion der individuellen Wissensgenerierung und der philosophisch-historischen Entwicklung des fachlichen Wissens.

Schülerlabore ermöglichen als außerschulische Lernorte intensive Begegnungen mit modernen Natur- und Ingenieurwissenschaften. Dies erfolgt in geeigneten Lernumgebungen mit Laborcharakter. Schülerlabore erweitern die schulischen Möglichkeiten zur Förderung naturwissenschaftlicher Bildungsprozesse und bieten vielfältige Lernanreize und Möglichkeiten zur Anreicherung und Ergänzung des Unterrichts. Authentische Arbeitsweisen, lebensweltbezogene, naturwissenschaftlich-technische Themenfelder werden in neuen Umfeldern erlebt. Die vielfältigen Konzepte und Angebote zum Lernen durch Experimentieren erweisen sich für die Breiten- ebenso wie für die Spitzenförderung als bedeutsam. Dazu gibt es mittlerweile auch Erkenntnisse aus der Wirkungsforschung und Folgerungen für modernen Physikunterricht. Über eine verbesserte Vernetzung mit der Schulpraxis und der Lehrerbildung bieten die Labore weitergehende Potenziale. Insbesondere verstärken sie die Rolle des kontext- und erfahrungsbasierten Lernens.

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit Wesenszügen der Naturwissenschaften – Nature of Science (NOS) bzw. „Natur der Naturwissenschaften“–, wie z. B. der Methodologie und der Entwicklung der Naturwissenschaften. Seit geraumer Zeit wird gefordert, diesen philosophischen Hintergrund im naturwissenschaftlichen Unterricht zu thematisieren. Um dies zu motivieren, wird zunächst ein Überblick über erkenntnistheoretische, wissenschaftstheoretische und wissenschaftsethische Ziele gegeben. Im Anschluss wird die naturwissenschaftliche Methodologie, insbesondere die Theoriebildung, diskutiert. Darauf aufbauend werden Unterschiede zwischen physikalischer Forschung und dem Lernen im Physikunterricht skizziert. Schließlich erläutern wir, warum NOS relevant für den Physikunterricht ist und welche inadäquaten und adäquaten Ansichten wiederholt vertreten werden. Hieraus entwickeln wir einen differenzierten Begriff angemessener Ansichten und zeigen auf, wie NOS im Unterricht vermittelt werden kann.

Die Quantenphysik hat unser naturwissenschaftliches Weltbild seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts stark verändert, und sie hat sich als eine unentbehrliche Grundlage für viele Teildisziplinen der modernen Physik bewährt. Auch die moderne Chemie, Biologie und Medizin wären ohne Quantenphysik nicht vorstellbar.

Deshalb soll der Physikunterricht auch einen Überblick über grundlegende Ansätze geben. Allerdings ist die Quantenphysik nicht besonders anschaulich und deshalb für Schüler schwer zu erfassen. Dieses Kapitel zur Quantenphysik gibt einen systematischen Überblick über nützliche Bausteine für Unterrichtsgänge, eine passende Auswahl von Experimenten und Formalismen zur fach- und adressatengerechten Beschreibung (Abb. 7.1). Vor- und Nachteile von didaktischen Alternativen, insbesondere von unterrichtserprobten Modellen und Formalismen, werden angesprochen. Das Themengebiet erschließt durchaus attraktive Perspektiven für eine fachgerechte Kompetenzschulung.

Die Elementarteilchenphysik beschäftigt sich mit den fundamentalen Bausteinen und deren Wechselwirkung untereinander. Mit dem Standardmodell existiert eine Theorie, die konsistent alle Experimente im Bereich der Elementarteilchenphysik erklärt. Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons 2012 am CERN wurde der letzte fundamentale Baustein experimentell nachgewiesen und damit wurden alle Teilchen beobachtet. Es gibt jedoch einige Messungen, die nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik erklärt werden können. Diese Messungen sind hauptsächlich durch astrophysikalische Beobachtungen motiviert. So wird z. B. die Gravitation nicht durch das Standardmodell beschrieben, es existiert kein Teilchenkandidat für die sog. Dunkle Materie, und die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie kann nicht erklärt werden. Die Entwicklung einer fundamentaleren Theorie, die auch diese Beobachtungen erklären kann, ist daher aktuell das wichtigste Forschungsziel.

Die Astronomie und Kosmologie eignen sich hervorragend, um Schülerinnen und Schüler für die Konzepte und Methoden der Naturwissenschaften, insbesondere der Physik, zu begeistern. In diesem Kapitel soll es um ausgewählte Themen und Verfahren gehen, die sich für den Einsatz in der Schule bewährt haben und die in manchen Bundesländern auch im Lehrplan stehen. Es wird ein Überblick über Längenskalen, astronomische Objekte und Nomenklatur, Sternentwicklung, besonders motivierende Themen wie Schwarze Löcher, Exoplaneten sowie die Entstehung und Entwicklung des Universums gegeben. Eine Zusammenstellung der offenen Fragen in der Astronomie und der Kosmologie plus einige Rechenbeispiele für den Unterricht mit Lösungen runden das Kapitel ab (Abb. 9.1). Die Astronomie ist eine sehr umfangreiche, moderne Disziplin. Bitte beachten Sie daher unbedingt die angebotenen Weblinks und die weiterführende Literatur.

Die nichtlineare Physik hat sich zu einem etablierten Forschungsbereich entwickelt. Sie hilft bei der Beschreibung und beim Verständnis von komplexen Systemen und faszinierenden Phänomenen (z. B. Sandrippen am Strand, Konvektionszellen in Flüssigkeiten). Solche Beispiele zeigen aber auch, dass eine Beschränkung auf lineare Zusammenhänge, wie sie für die klassische Physik, aber auch für die Quantenmechanik typisch ist, zahlreiche Sachverhalte nicht erklären kann. Chaos, viele Formen der Selbstorganisation oder Fraktale sind solche Themenbereiche.

In diesem Kapitel werden Möglichkeiten skizziert, grundlegende Phänomene, Fragestellungen und experimentelle Untersuchungen der nichtlinearen Physik in den Physikunterricht aufzunehmen. Bezüge zu den Bildungsstandards für den Mittleren Abschluss im Fach Physik und zu den einheitlichen Prüfungsanforderungen der Abiturprüfung (EPA) werden aufgezeigt.

Nanotechnologie gilt als die Schlüsseldisziplin des 21. Das Querschnittsfeld baut auf Grundlagenwissen vor allem aus Physik, Chemie und Biologie auf und erschließt mit geeigneten Werkzeugen vielfältige neue technologische Anwendungsfelder. Ein grundlegendes Verstehen der beteiligten Strukturprinzipien wird durch die Komplexität und Andersartigkeit der Nanowelt erschwert. Viele der vertrauten Vorstellungen der klassischen Physik, die sich in unserer Alltagswelt bewährt haben, versagen. Dennoch ist es möglich, an diese Erfahrungen anzuknüpfen, um die wesentlichen Konzepte begreifbar zu machen. Die im Beitrag skizzierten Wege in die Nanowelt nutzen geeignete Transformationen und Korrespondenzen und veranschaulichen relevante Methoden und Funktionsprinzipien durch Modellexperimente und Analogien. Die Reflexion der Modelle vor dem jeweiligen fachlichen Hintergrund unterstützt die Lernenden dabei, die epistemische Distanz zu Nanosystemen zu vermindern und ihre Besonderheiten zu erschließen. Die ausgewählten Beispiele fokussieren auf Aspekte der Nanophysik sowie der Nanobiophysik. In Bezug auf die Erfüllung von Bildungsstandards hat die Behandlung von Nanothemen im Unterricht das Potenzial, grundlegende und weitgehend authentische Einblicke in naturwissenschaftliche ebenso wie in technische Arbeitsweisen zu vermitteln, um die bestehenden Gemeinsamkeiten, aber auch die Unterschiede zu verdeutlichen. Dies ist vor allem im Hinblick auf Entscheidungsprozesse zur beruflichen Orientierung der Jugendlichen wesentlich.

Die Biophysik ist ein relativ junges Arbeitsgebiet der Physik, das Erklärungen für Vorgänge in lebenden Systemen sucht. Eine große Herausforderung liegt darin, ein quantitatives Verständnis über das komplexe Zusammenspiel von biologischen Molekülen zu entwickeln und Prinzipien aufzuklären, nach denen sich biologische Systeme organisieren und lebenswichtige Funktionen erfüllen. Die interdisziplinäre Forschung der Biophysik zeichnet sich durch ihren quantitativen, messtechnischen Ansatz aus. Sie hat auch immer wieder technologische Neuentwicklungen hervorgebracht, z. B. bildgebende Verfahren, die heute in der Medizin verwendet werden.

Dieses Kapitel geht exemplarisch auf wichtige Forschungsbereiche der Biophysik ein. Dazu gehören „Struktur biologischer Moleküle“, „Biophysik der Zelle“, „Molekulare Maschinen“, „Hochentwickelte Prozesse“ (Nervenleitung und Photosynthese). Auch eingesetzte Forschungsmethoden werden angesprochen, und es kommen fachspezifische Darstellungsformen zum Einsatz.

Der Klimawandel ist die größte globale Herausforderung der Menschheit im 21. Jahrhundert und damit ein relevantes Thema für die Schülerinnen und Schüler von heute. Ohne Zweifel steht fest, dass der Mensch den größten Anteil an der Erderwärmung verursacht. Da der Klimawandel sehr schnell voranschreitet, werden sich weder Flora und Fauna noch die Menschen so schnell an die veränderten Umweltbedingungen anpassen können. In diesem Kapitel werden die physikalischen Prozesse vorgestellt, die das globale Klimasystem der Erde und den Klimawandel steuern. Stichwörter sind: Energiequelle, Energiebilanz, thermischer Energietransport und thermisches Gleichgewicht, Wärmestrahlung, Treibhauseffekt, Wetter und Klima, Temperaturgradient und Wärmekapazität. Mindestens genauso wichtig, wie die Physik des Klimawandels zu verstehen, ist die Bereitschaft, notwendige Maßnahmen umzusetzen. Deshalb zielt das Kapitel auch darauf ab, Projekte zu initiieren, die nicht nur in der Schule Wirkung zeigen, sondern auch das Privatleben der Schülerinnen und Schüler prägen.

Das Thema Gravitationswellen ist ein brandneues Gebiet der modernen Physik, das in Schulen nicht fehlen darf. Die von Albert Einstein vorhergesagte Wellenform wird von beschleunigten Massen erzeugt. Eine Beobachtung von Gravitationswellen eröffnet eine vollkommen neue Sicht auf unser Universum. Quellen werden sichtbar, die zuvor mit elektromagnetischen Wellen nicht zu sehen waren. Leider sind die Raumzeitwellen äußerst schwer direkt nachzuweisen. Das gelang erst 2015 und wurde schon 2017 mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt. Die jetzt messbaren Gravitationswellen läuten eine spannende, neue Forschungsepoche ein. Astrophysiker hoffen damit viele Rätsel zu lösen, die um Neutronensterne, Schwarze Löcher, Galaxienentwicklung und den Urknall ranken. Dieses Kapitel stellt den Durchbruch, die Messmethode und weitere Resultate des jungen Forschungsgebiets vor. Am Ende folgen einfache Rechenbeispiele mit Lösungen, wertvolle Weblinks und ein Ausblick auf die Gravitationswellenforschung.