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2015 | Book

Einführung: Was ist Physikdidaktik? Read chapter Read first chapter

Physikdidaktik

Theorie und Praxis

Editors: Ernst Kircher, Raimund Girwidz, Peter Häußler

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Book Series : Springer-Lehrbuch

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

„Physikdidaktik – Theorie und Praxis“ ist ein Sammelband, der dynamisch gewachsen ist. Der Teil I wurde im Jahre 2000 in erster Linie für Studierende des Lehramts Physik konzipiert.

Der Teil II zeigt Konkretisierungen und im Unterricht erprobte Beispiele zu neueren didaktischen und methodischen Ansätzen, die aus der Pädagogik und der allgemeinen Didaktik für die Physikdidaktik aufbereitet wurden.

Die Physikdidaktik befasst sich natürlich auch mit der Frage, welche Elemente aus der modernen Physik in den Unterricht eingehen können und sollen. Vor der Aufbereitung der Inhalte für den Unterricht, mit Vereinfachungen und angemessenen didaktischen Reduktionen, steht die Sachanalyse und die Zusammenfassung von interessanten Themen aus aktuellen experimentellen und theoretischen Arbeitsgebieten der Physik (Teil III). In der vorliegenden 3. Ausgabe eines Gesamtbandes „Physikdidaktik – Theorie und Praxis“ wurden Astrophysik, Elementar­teilchenphysik und Biophysik als interessante Beispiele aus der aktuellen physikali­schen For­schung ganz neu aufgenommen und durch ausgewiesene Experten dargestellt.

Teil IV enthält ausgewählte Beispiele aus der physikdidaktischen Forschung. Wie in den Teilen II und III sind auch in Teil IV neue Arbeiten aufgeführt, die u.a. Einblick in die qualitative und quantitative Unterrichtsforschung der Physikdidaktik gewähren und die u.U. eigene Forschungen anregen und fördern.

Der Inhalt:

„Physikdidaktik – Theorie und Praxis“ besteht aus den vier Teilen:

· „Physikdidaktik“ (Teil I),

· „Physikdidaktik in der Praxis“ (Teil II),

· „Moderne Teilgebiete des Physikunterrichts“ (Teil III)

· „Aktuelle Beiträge zur Physikdidaktik“ (Teil IV).

Die Zielgruppen:

· Studierende des Lehramts Physik (Primarstufe, vor allem Sekundarstufe I und II)

· Referendarinnen und Referendare des Lehramts Physik

· Physiklehrerinnen und Physiklehrer

· Teilnehmer und Lehrpersonen der 3. Ausbildungsphase (Lehrerfort- und Weiter­bildung)

· Hochschullehrerinnen und Hochschullehrer als Anregung für Forschung und Lehre in der Physikdidaktik

Die Herausgeber und Autoren

Die fünfunddreißig Autorinnen und Autoren sind vorwiegend mit der Physiklehrerausbildung an Hochschulen (Universitäten) befasst. An der Darstellung von physikalischen Grundlagen aktueller physikalischer Forschung (Teil III) beteiligten sich Physiker aus den beiden Münchner Universitäten (LMU und TU) und der Universität Würzburg.

Table of Contents

Frontmatter

Physikdidaktik

Frontmatter
1. Einführung: Was ist Physikdidaktik?
Zusammenfassung
Sie haben sich entschlossen Physiklehrer zu werden und kommen nun mit einem Fach, der Physikdidaktik in Berührung, das Sie in der Schule nur auf implizite Weise kennen gelernt haben, nämlich durch die Art und Weise, wie Ihre Lehrer Physik unterrichtet haben.
Als Motto beginnen wir mit zwei Aussagen, die sich an Zitaten des Pädagogen v. Hentig (1966) orientieren:
Die Physik bietet keine Hilfen für die Unverständlichkeiten, die sie erzeugt.
Eine Physikdidaktik, die nicht dienen wollte, wäre ein Unsinn.
Ausgehend von den Fragen „Was ist Physik?“ „Was ist Didaktik?“ wird Physikdidaktik als Forschung und Lehre über den Physikunterricht auf der Basis von „Physik“ und weiteren naturwissenschaftlichen „Bezugswissenschaften“ erläutert.
Die „Studienziele“ orientieren sich an den Vorschlägen von Fachgesellschaften und der Kultusministerkonferenz der Bundesländer.
Ernst Kircher
2. Warum Physikunterricht?
Zusammenfassung
Wir beginnen mit einem schwierigen Kapitel, vielleicht dem schwierigsten der Physikdidaktik. Es befasst sich mit der „Begründung“ und „Legitimation“ von Physikunterricht. Es geht um die Fragen: Warum soll man Physik bzw. Naturwissenschaften gegenwärtig und künftig an den Schulen unterrichten? Was will man mit Physikunterricht erreichen? Warum braucht man Sie als Lehrer bzw. Lehrerin für Physik- bzw. für naturwissenschaftlichen Unterricht? Angeregt durch die TIMS- und PISA-Studien (Baumert et al. 2000a,b; Baumert et al.2001; Prenzelet al. 2004) sind solche Fragen zur Zeit für alle Schulfächer in der Bundesrepublik hochaktuell.
In Abschnitt 2.1 werden die pädagogischen Grundlagen, der bildungstheoretische und der pragmatische Hintergrund, gestreift. In 2.2 wird die physikalische Dimension des Physikunterrichts skizziert, d.h. Entwicklung und Aufbau der Physik sowie deren allgemeinbildende Aspekte. In Abschnitt 2.3 wird auf die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts eingegangen, auf einen Wertewandel in der Lebenswelt, auf Umwelterziehung und eine Bildung der Nachhaltigkeit. Der Abschnitt 2.4 thematisiert „Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts“, die Bedeutung von spezifischer Schülervorstellungen für den Lernprozess.
Ernst Kircher
3. Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht
Zusammenfassung
1. Eine intensive Beschäftigung mit Zielen ist aus folgenden Gründen wichtig: Sie organisieren die Unterrichtsplanung und tragen zur Strukturierung des Unterrichts wesentlich bei. Explizit formulierte Ziele sind notwendig für die Kommunikation über die Schule für Lehrer, Schüler, Eltern, Politiker. Wegen des Zusammenhangs von Zielen und Leistungs-beurteilungen können Ziele zu objektiven Beurteilungen (z. B. Noten) beitragen.
Wie kommt man zu Zielen des Unterrichts?
Der Ausgangspunkt ist eine „Didaktische Analyse“ (3.1). Um ein Lernziel hinreichend zu präzisieren, müssen die Zielebene, die Zielklasse und die Zielstufe/ Anforderungsstufe angegeben werden. Dies kann man in einem dreidimensionalen „Lernzielraum“ veranschaulichen (3.2). Die „Physikdidaktischen Zielklassen“ (3.3) entsprechen im Wesentlichen den in Kultusministerkonferenzen beschlossenen „Bildungsstandards“ und „Kompetenzbereichen“, auf die in (3.4) näher eingegangen wird.
Ernst Kircher
4. Elementarisierung und didaktische Rekonstruktion
Zusammenfassung
Es ist kein neues und auch kein spezifisches Problem des Physikunterrichts komplizierte Zusammenhänge so zu vereinfachen, dass diese möglichst von allen Schülerinnen und Schülern, möglichst gründlich, in möglichst kurzer Zeit und auf humane Weise verstanden werden. Dieses Problem ist so alt wie der Versuch, Lernen zu organisieren und zu systematisieren.
Es geht um schülergerechte Erklärungsmuster, die man als Summe von Erklärungsgliedern auffassen kann. Es wird argumentiert, dass die Erklärungsmuster fachgerecht, schülergerecht, zielgerecht sein sollen (4.1) Dies wird an Beispielen genauer erklärt (4.2). Die Verwendung von Analogien (4.3) kann ebenfalls als ein „Erklärungsmuster“ betrachtet werden. Analogien im Unterricht beinhalten verschiedene Probleme. Letzteres trifft auch auf die Elementarisierung physikalischer Objekte und Methoden zu (4.4).
Ernst Kircher
5. Methoden im Physikunterricht
Zusammenfassung
Über Unterrichtsmethoden sind viele Ausdrücke im Umlauf, die Gleiches oder fast Gleiches bedeuten, von Universität zu Universität, von Studienseminar zu Studienseminar.
Es werden fünf Methodenebenen unterschieden und für den Physikunterricht interpretiert; sie werden zum Teil an Beispielen ausführlich erläutert (s. Kap. 9, 10, 11):
Methodische Großformen (5.1): Offener Unterricht- Freiarbeit, Spiele, Projekte, Kurs.
Physikdidaktische Unterrichtskonzepte (5.2): Exemplarischer Unterricht, genetischer Unterricht
Artikulationsschemata (5.3)
Sozialformen (5.4): Gruppenunterricht, individualisierter Unterricht, Frontalunterricht
Handlungsformen (5.5): Es wird eine Kurzfassung von Wodzinski übernommen, die sich auf „Mädchen im Physikunterricht“ (in „Physikdidaktik – Theorie und Praxis 2. Auflage 2010, 583 ff.) bezieht.
Ernst Kircher
6. Medien im Physikunterricht
Zusammenfassung
Unterrichtsmedien sind nichtpersonale Informationsträger. Sie sind Hilfsmittel für die Lehrenden oder Lernmittel in der Hand von Schülerinnen und Schülern.
Medien kommen im Physikunterricht in vielfältigen Formen zum Einsatz, und die technischen Entwicklungen im Medienbereich sind sehr eindrucksvoll. Dennoch werden auch neue Unterrichtsmedien vorwiegend Bild, Ton und Text als Ausdrucksmittel verwenden. Ein effektiver Medieneinsatz im Unterricht setzt also erst einmal den kompetenten Umgang mit diesen Ausdrucksmitteln voraus.
Bevor auf klassische Medien und physikalische Experimente eingegangen wird kommen daher erst die Grundlagen zum Medieneinsatz zur Sprache sowie der Informationswert von Bildern und Texten. Auch wenn ein moderner Unterricht unbedingt die Darstellungsmöglichkeiten neuer Medien nutzen sollte, Medien bleiben ein Mittel zum Zweck. Ihr Einsatz wird erst durch die Lernziele und ein passendes methodisches Grundkonzept legitimiert.
Raimund Girwidz
7. Wie lässt sich der Lernerfolg messen?
Zusammenfassung
1. Messen und Beurteilen von Schulleistungen wird in der Pädagogik als ambivalent betrachtet. Klafki (19965, S. 245 f.) spricht von der „Dialektik des Leistungsbegriffs“ und von „Gegenpolen des Leistens“, wie Lebensqualität, Glückserfahrungen, von Spiel, die auch den Sinn von Schule ausmachen und die bisher kaum im Blickpunkt von Schülerbeurteilungen stehen. Wir vermeiden aus diesem Grund den Ausdruck „Leistung“ und sprechen von „Lernerfolgen“ – ein Ausdruck, der auch die „Gegenpole“ einschließt.
In Abschnitt 7.1 werden „Allgemeine Kriterien und Verfahren zur Messung des Lernerfolgs“ beschrieben. Zuerst wird die Messung des Lernerfolgs im kognitiven Bereich dargestellt (7.2) und Vor- und Nachteile z.B. von Lückentext-, Multiple-Choice-Aufgaben, Aufgaben mit freier Antwort und „ Sieben Fehler bei der Formulierung schriftlicher Aufgaben“ erörtert. Die Messung des Lernerfolgs im nichtkognitiven Bereich (7.3), z.B. die Messung von Interessen, die motivierende Wirkung des Unterrichts, Verfahren, die auf Beobachtung beruhen gehen über die üblichen Lernerfolgskontrollen hinaus. In einer Übersicht (7.4) sind die beschriebenen Verfahren im kognitiven und nichtkognitiven Bereich aufgelistet.
Peter Häußler
8. Planung und Analyse von Physikunterricht
Zusammenfassung
Unterrichtsplanung und Unterrichtsanalyse gehören zum Handwerkszeug jeder Lehrerin, jedes Lehrers. In der 1. Phase der Lehrerbildung sind Planung und Analyse von Unterricht für die Schulpraktika wichtig. Die Relevanz wird auch nicht dadurch reduziert, dass derzeit schülerzentrierter offener Unterricht gegenüber lehrerzentriertem Frontalunterricht aus guten Gründen favorisiert wird (Petri 1993). Von Seiten der Schulpädagogik wird daraus die Konsequenz gezogen, dass zwischen offener und lernzielorientierter Unterrichtsplanung unterschieden wird (s. Peterssen 1998).
In der 1. Phase der Lehrerbildung wird in den Schulpraktika vor allem das lernzielorientierte „Berliner Modell“ verwendet. Der Vorschlag für einen „Unterrichtsentwurf“ orientiert sich an diesem Modell der Unterrichtsplanung. Die offene Unterrichtsplanung, die z.B. bei der Planung von Projekten sinnvoll ist, bietet mehr Spielräume für Lehrende und Lernende.
Für die Analyse einer Unterrichtseinheit in der 1. Phase der Lehrerbildung wird zwar ein Schema für die Unterrichtsbeobachtung vorgeschlagen, aber auch erwähnt, dass Videoaufzeichnungen des Unterrichts objektiver und daher hilfreicher für die Analyse sind. In der 2. Phase der Lehrerbildung geht es vor allem um die „Lehrerpersönlichkeit“ und die damit verbundenen Kompetenzen.
Ernst Kircher

Physikdidaktik in der Praxis

Frontmatter
9. Aktuelle Methoden I – Projekte
Zusammenfassung
Projekte haben sich im Physikunterricht in Deutschland insbesondere in Lehrplänen und in Lehrerfortbildungsveranstaltungen etabliert als eine Ergänzung zum Frontalunterricht. In der Schulpraxis werden insbesondere an Gymnasien „Projekttage“ veranstaltet, – im Allgemeinen am Ende des Schuljahrs. Allerdings sind in der 1. und 2. Phase der Lehrerbildung noch Defizite bezüglich der theoretischen und praktischen Aus- und Aufarbeitung der Projektidee zu vermuten. Auch angesichts der zweifellos weiterhin bestehenden Dominanz des Frontalunterrichts (s. z. B. Meyer und Meyer 1999) erscheint es notwendig, die Projektidee nicht nur zu beschreiben sondern auch durch Beispiele zu erläutern.
Die beiden Beispiele aus der 4. Jahrgangsstufe („Die Sonne schickt uns keine Rechnung“) und 10. Jahrgangsstufe („Induktionsmotore“) sind ausführlich beschrieben: Grobstruktur des Projekts, fachliche Darstellungen, Projektverlauf in der Grundschule bzw. im Gymnasium.
Johannes Günther, Ellen Günther, Thomas Wilhelm
10. Aktuelle Methoden II – Lernzirkel
Zusammenfassung
Zwischen der pädagogischen Dimension des Physikunterrichts und offenem Unterricht besteht ein enger Zusammenhang: Schülerinnen und Schüler mit ihren individuellen Fähigkeiten und Interessen, ihren emotionalen und kognitiven Eigenschaften und Bedürfnissen rücken in den Mittelpunkt des Unterrichts und der Unterrichtsplanungen. Dies wurde bereits vor 100 Jahren von der Reformpädagogik gefordert. Im zurückliegenden Jahrzehnt wurden Lernzirkel als eine besondere methodische Form des offenen Unterrichts in allen Schulstufen und in fast allen Schulfächern erprobt. Durch dieses „Lernen an Stationen“ (Hepp 1999) sollen Schülerinnen und Schüler mehr Eigenaktivität, mehr Eigenverantwortung für ihren Lernweg im Physikunterricht und dabei auch größeres dauerhaftes Interesse an der Physik und mehr naturwissenschaftliche Sach- und Selbstkompetenz entwickeln können.
Die zwei beschriebenen Lernzirkel „Einführung in die Akustik“ wurden in der 8. Jahrgangsstufe (Realschule) und in Leistungskursen der 13. Jahrgangsstufe „Laser“ erprobt.
Nach einer didaktischen Analyse wird ein Überblick über das Thema „Einführung in die Akustik“ gegeben und in diesem Überblick Pflicht- und Wahlstationen unterschieden. Ein „Laufzettel“ gibt Hinweise für das Arbeiten und das Schülerverhalten in einem Lernzirkel. Neben fachlichen Grundlagen sind auch zwei der fünf „Stationen“ näher aufgeführt.
Bei dem Lernzirkel „Laser“ sind alle 6 Stationen skizziert. Besonders wichtig ist die Station 2 „Gefahren und Sicherheitsbestimmungen beim Umgang mit Lasern“, besonderes Interesse fand Station 3: „Wie funktioniert ein Strichcodelesegerät“, weil ein selbstgebautes Modell zur Verfügung stand.
Ernst Kircher, Daniela Lieb, Wolfgang Reusch, Thomas Gessner
11. Aktuelle Methoden III – Spiele
Zusammenfassung
Sie haben in Teil I „Physikdidaktik“ (▶ Kap. 5) das Spiel als „methodische Großform“ kennen gelernt. Spielen gehört zum Menschen; darüber sind sich wohl alle einig.
Spiele haben wichtige didaktische Funktionen, weil sie äußerst relevante Ziel fördern können, etwa soziale Ziele, Grundqualifikationen sozialen Handelns wie Toleranz, Rücksichtnahme, Einfühlungsvermögen, Flexibilität. Spiele können die Phantasie anregen, Kreativität herausfordern. Auch Wahrnehmungsleistungen, motorische Fertigkeiten und Intelligenzleistungen werden durch Spielaktivitäten gefördert (s. Oerter und Montada 20086).
„Spiel und Spaß sollen gleichzeitig Lernen und Verstehen der Physik einschließen“ schreibt der Autor Peter Labudde. Die Unterrichtsbeispiele sind Konstruktionsspiele (z.B. „Baue ein Schiff aus Styropor, das Wasser mit sich führt und durch dieses angetrieben wird“), gespielte Analogien (z.B. Die Klasse spielt einen elektrischen Stromkreis im Elektronenmodell) und „sinnhafte Spiele“ (z.B. „Wie lässt sich ein Gegenstand auf eine gekrümmte Bahn bringen?“ Die Jugendlichen erfahren die Radialkraft als Ursache einer Richtungsänderung auf dem Pausenhof.).
Peter Labudde
12. Neue Medien und Multimedia
Zusammenfassung
Der Begriff „neue Medien“ wird relativ unscharf gebraucht. Vorausgesetzt ist zunächst eine moderne Hardware, wie beispielsweise PC, Smartphone, Tablet-PC und/oder digitale Bild- und Tonmedien. In der Regel gehört heute jeweils noch ein Internetzugang dazu, mit Informationsangeboten, virtuellen Seminaren, Einkaufsmöglichkeiten, Update von „Firmware“, usw. Zunehmend werden verschiedene Funktionalitäten von einem Gerät abgedeckt, wie es die Entwicklungen von Smartphones und Tablet-PCs zeigen. Mitunter wird bei dem Begriff „neue Medien“ der Blick aber auch mehr auf die Softwarerealisierung gelegt, wie beispielsweise auf Anwendungen des Web 2.0. Neue Medien bieten einen schnelleren Zugriff auf aktuelle Informationsquellen und ermöglichen Interaktivität bei guten Bild- und Tonqualitäten.
Raimund Girwidz
13. Physikalische Fachkonzepte anbahnen - Anschlussfähigkeit verbessern
Zusammenfassung
Physikalische Bildung setzt nicht erst im Physikunterricht ein. Auch in der Grundschule und nicht selten schon im Kindergarten werden Kinder gezielt an physikalische Phänomene herangeführt. Im Sinne kumulativen Lernens erscheint es notwendig, diese Bildungsbemühungen aufeinander abzustimmen.
Die von der KMK formulierten Bildungsstandards für den mittleren Schulabschluss (2005) geben einen Rahmen vor, an dem sich die vorhergehenden Bildungsstufen orientieren können. Bei den Überlegungen, wie Sachunterricht auf späteren Physikunterricht vorbereiten kann, muss allerdings sorgfältig abgewogen werden, inwieweit die Wünsche und Erwartungen des Physikunterrichts auch mit den Zielsetzungen des Sachunterrichts zusammenpassen, der nicht nur auf die Naturwissenschaften, sondern auf alle Sachfächer der weiterführenden Schulen (einschließlich der Technik) vorbereitet und sich um eine explizite Verknüpfung der verschiedenen Fachperspektiven bemüht.
Rita Wodzinski
14. Physikaufgaben
Zusammenfassung
Aufgaben sind ein wesentliches Element naturwissenschaftlichen Unterrichts. Mit ihrer Hilfe werden Anforderungen, Erwartungen und Herausforderungen der Lehrperson an die Lernenden kommuniziert, um bei ihnen damit kognitive, emotionale oder affektive Reaktionen hervorzurufen. Besonders deutlich wird das, wenn Operatoren verwendet werden, wie z. B. „erkläre“, „beobachte“, „führe durch“. Auch sogenannte W-Fragen (wie, was, warum, wo, …) beinhalten implizit Erwartungen und Anforderungen, etwa „Wie funktioniert …?“ könnte die Anforderung „erkläre“ enthalten.
Aufgaben benötigen Angaben zum Fachinhalt, zum Kontext und zur Einbettung in die Situation, eine Aufforderung oder Frage an den Bearbeiter, Informationen zu Lösungswegen und zum Ergebnis. Dies wird an mehreren Beispielen diskutiert. Ein wichtiger Unterschied besteht zwischen Aufgaben im Unterricht bzw. Aufgaben für einen etwa bundesweiten Vergleichstest. Der Anhang enthält eine Zusammenstellung von Aufgabenmerkmalen, die einzelnen Aufgabentypen zugeordnet sind.
Alexander Kauertz, Patrick Löffler, Hans E. Fischer

Moderne Teilgebiete des Physikunterrichts

Frontmatter
15. Quantenphysik
Zusammenfassung
Die Quantenphysik hat unsere naturwissenschaftliche Weltsicht seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts stark verändert. Sie ist unentbehrliche Grundlage vieler Teildisziplinen der modernen Physik. Die moderne Chemie, Biologie und Medizin wären ohne Quantenphysik nicht vorstellbar. Leider ist die Quantenphysik aber nicht besonders unanschaulich und folgende Fragen sind zu beantwortet:
Welche quantenphysikalische Phänomene können in der Schule gezeigt werden?
Über welche typischen Eigenschaften der Quantenphysik sollte man berichten?
Können Teile der Quantentheorie schülergerecht elementarisiert werden?
Welche begrifflichen und mathematischen Werkzeuge sind in der Schule verfügbar?
Welche Konsequenzen für unser Weltbild ergeben sich aus den Wesenszügen der Quantentheorie?
Josef Küblbeck
16. Elementarteilchenphysik in der Schule
Zusammenfassung
Mit der Inbetriebnahme des „Large Hadron Collider“(LHC)-Experiments am CERN in Genf ist die Teilchenphysik in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Die zunächst kritischen Berichte über die Produktion von mikroskopischen Schwarzen Löchern wurden bald durch Erfolgsmeldungen über die Entdeckung des seit Langem gesuchten Higgs-Bosons und die Verleihung des Nobelpreises 2013 abgelöst.
Leider wird die Elementarteilchenphysik im Schulunterricht nur am Rande behandelt. Es zeigt sich allerdings, dass das Interesse von Jugendlichen an diesen fundamentalen Fragestellungen sehr groß ist. In den letzten Jahren haben die Teilchenphysiker die Öffentlichkeitsarbeit deutlich verstärkt und sie sprechen auch mit speziellen Programmen wie der „Masterclass“, Schüler der höheren Jahrgangsstufen direkt an. Obwohl die konkreten Lösungen und experimentellen Umsetzungen in der Teilchenphysik sehr komplex sind, kann man die Fragestellungen und die Ideen bzw. Konzepte für die Lösung relativ einfach skizzieren.
Jochen Schieck
17. Astronomie im Unterricht
Zusammenfassung
Die Begriffe „Astrophysik“ und „Astronomie“ werden in der Fachwissenschaft synonym verwendet, wobei die Astronomie als Oberbegriff betrachtet werden kann, der auch kulturhistorische Aspekte der Astronomie, Astrochronologie und Kosmologie einbezieht. Die Astronomie als „Mutter der Naturwissenschaften“ beschäftigt sich mit der Entstehung und Entwicklung des Universums und seiner Teile, also z. B. Galaxienhaufen, Galaxien, Sterne, Planeten und dem interstellaren Medium (Gas und Staub). Ein Grundlagenwissen im Fach Astronomie hilft, unsere Existenz im Universum besser einordnen zu können. Woher kommen wir? Wie ist unser Sonnensystem mit der Erde entstanden? Welche Zukunft erwartet die Erde, die Sonne, das Sonnensystem und das Universum als Ganzes? Als jahrtausendealte Wissenschaft sollten Inhalte aus der Astronomie daher unbedingt so früh wie möglich in den Schulunterricht einfließen. Möglichkeiten bieten sich schon im Grundschulalter, z. B. indem das Thema „Stern von Bethlehem“ auch naturwissenschaftlich beleuchtet wird. Je älter die Schüler sind, umso mehr kann man sich anspruchsvolleren Themen wie der Sternentwicklung und sogar Kosmologie widmen. Dieses Kapitel soll dazu Impulse setzen. Der Text gibt nur eine Einführung in grundlegende Aspekte; Quellen zur Vertiefung sind in der Marginalspalte dokumentiert.
Andreas Müller
18. Chaos und Strukturbildung
Zusammenfassung
Die nichtlineare Physik hat sich in wenigen Jahrzehnten zu einem etablierten Forschungsbereich entwickelt. Sie trägt der Tatsache Rechnung, dass die Beschränkung auf lineare Zusammenhänge, wie sie für die klassische Physik aber auch für die Quantenmechanik typisch ist, zahlreichen Phänomenen und Problemen nicht gerecht wird. Strukturbildung, Komplexität, Selbstorganisation, Chaos, Fraktale … das sind nur einige Themenbereiche der modernen Naturwissenschaften, die sich nur mit Hilfe der nichtlinearen Physik beschreiben lassen.
Fragen können an einfachen Beispielen zugänglich gemacht werden wie etwa:
- Wie kommt es zur selbstorganisierten Entstehung, Aufrechterhaltung und Stabilisierung komplexer Systeme in der belebten und unbelebten Natur?
- Wie lassen sich solche Strukturbildungsprozesse modellhaft erfassen?
- Welcher Zusammenhang besteht zwischen Form und Funktion komplexer Systeme?
- Inwieweit lässt sich das Verhalten komplexer Systeme vorhersagen?
Volkhard Nordmeier, Joachim Schlichting
19. Wege in die Nanowelt
Zusammenfassung
Anders als bei den großen technologischen Revolutionen der Vergangenheit sind es heute eher die kreativen Ideen im Kleinen, die bedeutsame Innovationen vorantreiben. Mit Techniken der Mikrostrukturierung lassen sich Systeme im Mikrometer-Bereich mit vielfältigen elektronischen, mechanischen, optischen oder fluidischen Funktionen schaffen. In der Nanotechnologie erreicht die Miniaturisierung ihre molekulare und atomare Grenze. Während Mikrosysteme noch analog zu geeignet verkleinerten klassischen Makrosystemen arbeiten, kommt es auf der Nanometer-Skala vor allem aufgrund quantenmechanischer Effekte zu neuen Eigenschaften, die nunmehr technologisch erschlossen werden.
Die Nanowissenschaft vereinigt Grundlagen aus Physik, Chemie und Biologie. Mit Erkenntnissen aus der Nanowelt lassen sich viele Technologien verbessern und verlässlicher, effizienter und ressourcenschonender gestalten.
Die Vermittlung nanotechnologischerInhalte im Unterricht birgt die große Chance ein Technikfeld zu behandeln, das bei den Schülern positiv besetzt ist und durch das Grundlagen für einen beruflichen Werdegang in der Technik und den Ingenieurwissenschaften gelegt werden können.
Manfred Euler, Martin Kamp, Alfred Forchel
20. Biophysik
Zusammenfassung
Die Biophysik ist ein relativ junges Arbeitsgebiet der Physik, das physikalische Erklärungen für Vorgänge in lebenden Systemen sucht. Historisch gesehen liegen die Anfänge der Biophysik in der Erforschung der Biomechanik, der Blutströmung, und der Physiologie des Hörens, Sehens und der Nervenleitung. Die moderne Biophysik befasst sich mit Fragestellungen auf molekularer Ebene. Die große Herausforderung liegt darin, ein quantitatives Verständnis über das komplexe Zusammenspiel von biologischen Molekülen zu entwickeln und Grundprinzipien aufzuklären, nach denen sich diese zu biologischen Systemen organisieren und damit die Fähigkeit erlangen, lebenswichtige Funktionen zu erfüllen. Naturgemäß gibt es viele Berührungspunkte mit den angrenzenden Disziplinen der Medizin, Molekularbiologie, Biochemie und physikalischen Chemie. Die Biophysik hebt sich in diesem interdisziplinären Forschungsumfeld zum einen durch ihren quantitativen, messtechnischen Ansatz hervor. So hat die Biophysik auch immer wieder technologische Neuentwicklungen hervorgebracht wie bildgebende Verfahren, wie sie heute in der Medizin verwendet werden oder Nachweismethoden, die in der Molekularbiologie etabliert sind. Zum anderen definiert sich die Biophysik über ihre physikalische Fragestellung an biologischen Systemen mit dem Anspruch, theoretische Modelle und experimentelle Daten quantitativ in Einklang zu bringen.
Joachim Rädler, Matthias Rief, Günther Woehlke, Wolfgang Zinth

Aktuelle Beiträge zur Physikdidaktik

Frontmatter
21. Sprache im Physikunterricht
Zusammenfassung
Es werden Unterschiede zwischen Alltagsprache und Fachsprache erläutert, dass Fachsprache charakteristische Züge einer Fremdsprache hat.
Wesentliche diskutierte Fragen betreffen die Beziehung zwischen Alltags- und Fachsprache unter deskriptiver und unter normativer Perspektive, das unterschiedliche Vokabular mit unterschiedlichen syntaktischen und stilistischen Merkmalen, die Verwendung in unterschiedlichen Kommunikationssituationen, sowie: Was kann unter Förderung von Kommunikationsfähigkeit von Schülerinnen und Schüler verstanden werden?
Die Spracharbeit im Physikunterricht, ihre didaktische und methodische Seite wird abschließend diskutiert und durch Leitlinien konkretisiert.
Karsten Rincke, Josef Leisen
22. Alltagsvorstellungen und Physik lernen
Zusammenfassung
Wenn Schülerinnen und Schüler in den Sachunterricht oder in den Physikunterricht hinein kommen, so haben sie in der Regel bereits in vielfältigen Alltagserfahrungen tief verankerte Vorstellungen zu Begriffen, Phänomenen und Prinzipien entwickelt, um die es im Unterricht gehen soll. Die meisten dieser Vorstellungen stimmen mit den zu lernenden wissenschaftlichen Vorstellungen nicht überein. Hier liegt eine Ursache vieler Lernschwierigkeiten. Die Schüler verstehen häufig gar nicht, was sie im Unterricht hören oder sehen und was sie im Lehrbuch lesen. Lernen bedeutet, Wissen auf der Basis der vorhandenen Vorstellungen aktiv aufzubauen. Der Unterricht muss also an den Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler anknüpfen und ihre Eigenaktivitäten fordern und fördern. Er muss darüber hinaus für die wissenschaftliche Sicht werben, d. h. die Schüler davon überzeugen, dass diese Sicht fruchtbare neue und interessante Einsichten bietet.
Die Publikationen über Alltagsvorstellungen sind in nationalen und internationalen Zeitschriften veröffentlicht. Der Autor hat die wesentlichen Publikationen über drei Jahrzehnte gesammelt und über das Internet diese Bibliographie zugänglich gemacht (Duit 2009): http://www.ipn.uni-kiel.de/aktuell
Reinders Duit
23. Aus- und Fortbildung von Physiklehrkräften
Zusammenfassung
In die Kulturhoheit der Bundesländer fallen auch alle wesentlichen Entscheidungen im Bereich der Lehrerbildung. Ähnlich wie auf dem Feld der Schule gibt es eine große Vielfalt inhaltlicher und organisatorischer Konzepte, die jeweils landesspezifische Ausprägungen besitzen und nur durch Beschlüsse der Ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder (KMK) ein Minimum an Vergleichbarkeit erhalten. In dieser Situation macht es keinen Sinn, in einer Übersichtsdarstellung den vielfältigen Verästelungen im Detail zu folgen, vielmehr kann es nur die Aufgabe sein, Tendenzen zu identifizieren und das Gemeinsame der gerade abgeschlossenen bzw. noch stattfindenden Reformen hervorzuheben. Interessenten an bundeslandspezifischen Bedingungen der Lehreraus- und -fortbildung werden nicht umhin können, regionale Informationsquellen hinzuzuziehen. Eine knappe Darstellung der wichtigsten bundeslandspezifischen Regelungen bietet die KMK mit dem regelmäßig aktualisierten „Sachstand in der Lehrerbildung“ an (KMK 2012).
Der folgende Text berichtet ausführlich über die Reformen in der ersten Phase der Lehrerausbildung, und zwar sowohl über die allgemeinen organisationsstrukturellen als auch über die physikbezogenen inhaltlichen Veränderungen in den Lehramtsstudiengängen. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Lehrerfortbildung, da auch in diesem Bereich Entwicklungen zu beobachten sind bzw. noch erwartet werden können.
Helmut Fischler
24. Qualitative Forschung in den naturwissenschaftlichen Fachdidaktiken
Zusammenfassung
Die Planung eines qualitativen Projekts erfolgt in mehreren Schritten:
1. Schritt: Forschungsfragen und theoretische Fundierung
2. Schritt: Datenerhebung
3. Schritt: Datenauswertung
4. Schritt: Dateninterpretation
5. Schritt: Gütekriterien
Zu den obigen „Schritten“ sind die theoretischen Grundlagen skizziert. Beispiele aus der Forschung und graphische Darstellungen sollen den Zugang erleichtern.
Qualitative naturwissenschaftliche Projekte werden vor allem in der Primarstufe durchgeführt. Tendenziell kommt das qualitative Paradigma dann zum Einsatz, wenn es um die Interpretation von nichtnumerischen Daten geht, die in einem eher offenen Forschungsprozess gewonnen wurden.
Michaela Vogt
25. Empirische Forschung in der Physikdidaktik
Zusammenfassung
Das wichtigste Ziel fachdidaktischer Forschung in allen Fächern ist die Verbesserung von Unterricht. Dies ist natürlich auch für den Unterricht in Physik anzustreben. Lehrerinnen und Lehrer müssen erfahren können, wie sie Physikunterricht so gestalten können und wie sie sich in Lernsituationen verhalten sollten damit ihre Schülerinnen und Schüler erfolgreich die angestrebten Ziele des Physikunterrichts mit großer Wahrscheinlichkeit erreichen können.
Um dies zu erreichen, müssen auch die Randbedingungen des Unterrichts betrachtet werden. Schulleitungen und Lehrkräfte sollten eine Orientierung zur Stärkung der naturwissenschaftlichen Fachbereiche bekommen, um z.B. im Vergleich mit anderen Schulen bestehen zu können. Auf der nächsten Ebene möchte die Politik Planungssicherheit für den Einsatz von Ressourcen für die Entwicklung der Naturwissenschaften und der Technik insgesamt erhalten, um die technologische und soziale Entwicklung einer Region oder eines Landes zu unterstützen.
All dies setzt voraus, dass die Ergebnisse erziehungswissenschaftlicher Forschung unter Einschluss der Fachdidaktiken glaubwürdig sind. Forschung mit diesem Anspruch muss deshalb die Qualitätskriterien empirischer Forschung anwenden, die man unter den Überschriften Objektivität, Reliabilität, Validität und Signifikanz zusammenfassen kann. In diesem Kapitel werden übliche Forschungsansätze und Untersuchungsmethoden und ihre Erfolgsbedingungen beschrieben.
Hans E. Fischer, Heiko Krabbe
26. Schülerlabore: Lernen durch Forschen und Entwickeln
Zusammenfassung
Schülerlabore haben sich mittlerweile als wirksame außerschulische Instrumente zur Förderung naturwissenschaftlicher Bildungsprozesse etabliert. Die Labore bieten vielfältige Lernanreize und komplementäre Möglichkeiten zur Anreicherung und Ergänzung des Unterrichts vor allem in Bezug auf authentische, lebensweltbezogene naturwissenschaftlich- technische Themenfelder und Arbeitsweisen. Die Angebote zum Lernen durch Experimentieren erweisen sich für die Breitenebenso wie für die Spitzenförderung als bedeutsam. Über eine verbesserte Vernetzung mit der Schulpraxis und der Lehrerbildung bieten die Labore weiter gehende Potenziale für Entwicklung der Qualität von Lehr- und Lernprozessen. Insbesondere verstärken sie die Rolle des erfahrungsbasierten Lernens.
Als besonderes Beispiel wird das DLR_School_Lab Oberpfaffenhofen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt beschrieben. Die Aktivitäten von Schülerinnen und Schülern werden von wissenschaftlichen und studentischen Betreuern in einem ehemaligen Satellitenkontrollraum und im noch benutzten Außengelände durchgeführt. Auch im Rahmen von Lehrerfortbildung wird dieser außerschulische Lernort gerne wahrgenommen.
Manfred Euler, Tobias Schüttler, Dieter Hausamann
27. Modellbegriff und Modellbildung in der Physikdidaktik
Zusammenfassung
Was versteht man unter dem Begriff „Modell“?
Der Modellbegriff wird unter Berücksichtigung von physikdidaktischen, erkenntnis- und wissenschaftstheoretischen Auffassungen so festgelegt, dass er in der Physikdidaktik Relevanz besitzt. Darüber hinaus soll das Lernen der Physik in diesem Begriff abgebildet werden. Daher muss das lernende Subjekt berücksichtigt, das heißt in den Modellbegriff miteinbezogen werden.
Formal betrachtet besteht eine große Ähnlichkeit zum kybernetischen Modellbegriff (Klaus 19712). Aber die Interpretationen der Beziehungen zwischen dem Modell M und dem Objekt O und zwischen Modell M und Subjekt S unterscheiden sich wesentlich von dem kybernetischen Modellbegriff.
„Physik lernen“ bedeutet hier „physikalische Modellbildung“ durch die Schüler. Aber wie müssen die Modelle beschaffen sein, mit denen die Schüler beginnen? Was bedeuten Modelleigenschaften wie „Anschaulichkeit“ und „Einfachheit“? Die Diskussion solcher Begriffe will mehr erreichen als nur deren unterschiedliche Bedeutung in den Wissenschaften aufzuweisen. Am Beispiel der Modellbildung sollen Probleme des Physiklernens und Physiklehrens transparenter werden (s. Kircher 1995).
Ernst Kircher
28. Über die Natur der Naturwissenschaften lernen
Zusammenfassung
Seit fast 100 Jahren wird gefordert und auch begründet, den philosophischen Hintergrund des naturwissenschaftlichen Unterrichts, die „Natur der Naturwissenschaften“ im naturwissenschaftlichen Unterricht zu thematisieren.
Zunächst wird eine Begründung und Überblick über erkenntnistheoretische, wissenschaftstheoretische und wissenschaftsethische Ziele im naturwissenschaftlichen Unterricht gegeben (Abschnitt 28.1) Im Folgenden wird die Entwicklung der naturwissenschaftlichen Methodologie skizziert und das in der Wissenschaftsgeschichte unterschiedlich dargestellte Wechselspiel von Theorie und Experiment an Beispielen der Physik der Neuzeit illustriert und erläutert.
Dazu werden wissenschaftstheoretische und wissenschaftshistorische Arbeiten herangezogen und auch auf Kap. 2.3 verwiesen.
Ernst Kircher
29. Multimedia unter lerntheoretischen Aspekten
Zusammenfassung
Die Begriffe Multimodalität (Integration verschiedener Sinnesbereiche), Multicodierung (Darstellung in verschiedenen Codesystemen) und Interaktivität beschreiben besondere Stärken von Multimedia. Sie sind der Ausgangspunkt für die weiteren Betrachtungen. Daran anschließend werden aktuelle Theorien zum Lernen mit Multimedia vorgestellt. Im dritten Abschnitt wird auf besondere Anforderungen bei der kognitiven Verarbeitung eingegangen. Simulationen und exploratives Lernen sind Thema im vierten Abschnitt. Zur Abrundung folgen noch weitere lernpsychologische Überlegungen und Untersuchungen, aus denen sich konkrete Leitlinien für ein Lernen mit Multimedia ableiten lassen.
Raimund Girwidz
Backmatter
Metadata
Title
Physikdidaktik
Editors
Ernst Kircher
Raimund Girwidz
Peter Häußler
Copyright Year
2015
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-41745-0
Print ISBN
978-3-642-41744-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-41745-0

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