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Über dieses Buch

Welche Möglichkeiten habe ich für die Gestaltung des nächsten Themas meines Physikunterrichts? Diese Frage stellt sich Lehrkräften immer wieder. Dieses Lehrbuch hilft Lehramtsstudierenden, Referendaren und Lehrkräften dabei, Unterrichtskonzeptionen und ihre Leitideen besser zu verstehen und mögliche Alternativen für den eigenen Unterricht kennenzulernen. Die Autorinnen und Autoren stellen verschiedene Unterrichtskonzeptionen detailliert vor, die im deutschsprachigen Raum für den Physikunterricht entwickelt und in der Schulpraxis erprobt wurden. Zu allen Konzeptionen werden Quellen für Unterrichtsmaterialien angegeben. Die Kapitel beinhalten Übungen, die Leserinnen und Leser zum Durchdenken der Inhalte anregen.

Im einführenden Kapitel des Werkes wird erläutert, in welchen Entwicklungszusammenhängen Unterrichtskonzeptionen entstehen. In vierzehn folgenden Themenkapiteln werden jeweils mehrere konkrete Unterrichtskonzeptionen mit ihren Leitideen und ihren Unterrichtsgängen vorgestellt. Die Inhaltsbereiche erstrecken sich vom Anfang der Sekundarstufe I bis hin zur gymnasialen Oberstufe. Dazu zählen u. a. die Optik, Mechanik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre, Magnetismus, Felder, Quantenphysik, aber auch Nature of Science, fächerübergreifender Unterricht und prozessbezogene Kompetenzen.

Die Leser und Leserinnen werden nach der Lektüre
• Unterrichtskonzeptionen in wichtigen Gebieten der Schulphysik kennen,
• wissen, was die jeweiligen Grundideen, Ziele und Elementarisierungen sind,
• wissen, wo man Unterrichtsmaterialien zu den Unterrichtskonzeptionen findet,
• die eigenen Vorstellungen, wie man ein Thema unterrichten sollte, durchdacht und überdacht haben.

Leserinnen und Leser werden sich mit verschiedenen Zugängen, ein Thema zu unterrichten, beschäftigen und dadurch ihr Unterrichtsrepertoire erweitern können.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Entwicklung von Unterrichtskonzeptionen

Zusammenfassungen
Das Kapitel beschreibt die Entwicklungszusammenhänge, aus denen Unterrichtskonzeptionen hervorgehen. Als Schulbuchautoren nehmen Fachdidaktiker und Fachdidaktikerinnen aus der zweiten Phase der Lehramtsausbildung und engagierte Lehrkräfte Einfluss auf die konzeptionelle Entwicklung des Physikunterrichts. In den 1950er- bis 1980er-Jahren gingen von internationalen curricularen Großprojekten innovative Konzeptionen aus, die noch heute nachwirken. Die große Mehrzahl der im vorliegenden Buch vorgestellten Konzeptionen wurde dezentral in physikdidaktischen Instituten entwickelt, die ab den 1970er-Jahren an den Universitäten entstanden. Unterrichtsentwicklung und Forschung sind hier eng miteinander verzahnt.
Horst Schecker, Martin Hopf

Kapitel 2. Unterrichtskonzeptionen zur Geometrischen Optik

Zusammenfassung
Die geometrische Optik oder Strahlenoptik eignet sich zur Beschreibung optischer Phänomene, wenn die Wellenlänge des Lichts klein ist im Vergleich zu den Abmessungen der Versuchselemente. Der traditionelle Anfangsoptikunterricht vermittelt grundlegende Phänomene auf Basis geometrischer Gesetzmäßigkeiten durch strahlengeometrische Konstruktionen, meist ohne den Modellcharakter dieser Darstellung zu thematisieren. Eine didaktische Konzeption stellt die Lichtausbreitung als kontinuierlichen Strömungsvorgang auf Basis eines Sender-Strahlungs-Empfänger-Konzepts in das Zentrum des Anfangsoptikunterrichts. Die phänomenologische Optik verzichtet gänzlich auf Modelle – einschließlich der Lichtstrahlen – und bietet einen Zugang zur Optik, der bei der unmittelbaren Beobachtung von optischen Phänomenen ansetzt. Eine weitere, darauf aufbauende Konzeption für die Sekundarstufe I analysiert Ausbreitungserscheinungen anhand von Lichtwegen ohne eine Erklärung zu geben, was Licht ist.
Claudia Haagen-Schützenhöfer, Thomas Wilhelm

Kapitel 3. Unterrichtskonzeptionen zur Kinematik

Zusammenfassung
Die Kinematik beschreibt die Bewegung eines Körpers. Im traditionellen Unterricht werden nur geradlinige Bewegungen betrachtet oder Bewegungen als geradlinige interpretiert, indem man nur den Abstand s längs der Bahnkurve betrachtet. Innovative physikdidaktische Ansätze betrachten von Anfang an zweidimensionale Bewegungen, wobei sie zwischen der vektoriellen Geschwindigkeit und dem Tempo unterscheiden. Im Kapitel werden drei solche Konzeptionen vorgestellt. In einer Konzeption für die Sekundarstufe I steht der senkrechte Stoß auf eine rollende Kugel im Zentrum, wobei die Zusatzgeschwindigkeit \(\Delta \overrightarrow{v}\) als Elementarisierung der Beschleunigung verwendet wird. In einer computergestützten Konzeption für die Sekundarstufe II werden allgemeine gebogene Bahnkurve der PC-Maus analysiert und Orts-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungspfeile betrachtet. In einer weiteren Konzeption für die Sekundarstufe II werden alle Größen und Gleichungen mit Spaltenvektoren mit drei Komponenten dargestellt.
Thomas Wilhelm

Kapitel 4. Unterrichtskonzeptionen zur Dynamik

Zusammenfassung
Der traditionelle Dynamikunterricht beschränkt sich zunächst weitgehend auf einfache Situationen: auf geradlinige Bewegungen von Körpern mit konstanter Masse, auf die konstante Kräfte einwirken. Der Karlsruher Physikkurs betrachtet das Zu- oder Abfließen von Impuls, wobei zunächst auch nur eindimensionale Bewegungen betrachtet werden. Statt der Größe „Kraft“ wird die Größe „Impulsstromstärke“ betrachtet. In einer Konzeption für die Sekundarstufe I wird der Stoß als paradigmatisches Phänomen für Wechselwirkung angesehen und die Kraft über Stöße eingeführt, wobei das Schlüsselexperiment der Stoß auf eine rollende Kugel senkrecht zu deren Bewegungsrichtung ist. Eine Konzeption für die Sekundarstufe II mit computerbasierter Messwerterfassung betrachtet viele Vorgänge mit mehreren und nicht-konstanten Kräften, wobei die Messdaten nicht als Liniengraphen, sondern als Animation mit dynamischen Vektorpfeilen dargestellt werden.
Thomas Wilhelm, Martin Hopf

Kapitel 5. Unterrichtskonzeptionen zur Numerischen Physik

Zusammenfassungen
Im traditionellen Unterricht werden für numerische Verfahren eine Programmiersprache oder eine Tabellenkalkulation benutzt und die Grundidee der Methode der kleinen Schritte bzw. des Eulerverfahrens vermittelt. In physikdidaktischen Konzeptionen konzentriert man sich mit speziell für die Lehre entwickelten Modellbildungsprogrammen auf die Physik und nicht auf numerische Verfahren. Wird zur Eingabe eine graphische Oberfläche mit Flussdiagrammen genutzt, dann wird qualitativ deutlich, welche Größe aus welcher berechnet wird. Bei einer Modellbildung mit Animationen ist das Interpretieren von Graphen nicht nötig, da man die Animation beobachten kann und schneller sieht, ob das Modell noch korrigiert oder ergänzt werden muss. Schließlich gibt es Programme, die weniger Schritte erfordern und leichter zu bedienen sind, weil nur noch die Kräfte angegeben werden und man sich nicht darum kümmern muss, wie die Software aus der Beschleunigung die Geschwindigkeit und daraus den Ort berechnet.
Thomas Wilhelm, Horst Schecker

Kapitel 6. Unterrichtskonzeptionen zur Energie und Wärme

Zusammenfassung
Die Energie wurde und wird im Physikunterricht zumeist als abgeleitete Größe eingeführt (Kraft Arbeit Energie). Innovative physikdidaktische Ansätze gehen dagegen von der Energie als grundlegender physikalischer Größe aus und stellen sie von Beginn an in das Zentrum des Unterrichts. Im Kapitel werden vier Konzeptionen vorgestellt, die sich von der traditionellen Vorgehensweise unterscheiden. Das Spektrum erstreckt sich von fachorientierten Ansätzen, die nach sachstruktureller Stringenz streben, bis zu schülerorientierten Ansätzen, die an ausbaufähige Energie-Vorstellungen bei Lernenden anknüpfen oder auf Lebensweltbezüge achten. Fachliche Klärungen nehmen in diesem Kapitel einen größeren Raum ein als in anderen Kapiteln des Buches.
Erich Starauschek, Horst Schecker

Kapitel 7. Unterrichtskonzeptionen zur Mechanik der Gase und Flüssigkeiten

Zusammenfassung
Im Physikunterricht werden verschiedene Aspekte der Mechanik der Gase und Flüssigkeiten behandelt. Traditionell wird der Druck in Fluiden anhand der Formel \(p=\frac{F}{A}\) eingeführt. Modernere Unterrichtskonzeptionen stellen dagegen den Druck als Zustandsgröße in den Mittelpunkt der Überlegungen oder diskutieren den Druck in Fluiden ausgehend vom atmosphärischen Luftdruck. Ein weiteres Thema in diesem Bereich ist das Schwimmen und Sinken. Traditionell werden dabei die verschiedenen Erklärungsansätze (Archimedisches Prinzip, Dichte und Verdrängung, Auftriebskraft) je nach Situation passend ausgewählt. Als lernwirksamer haben sich aber Unterrichtskonzeptionen erwiesen, die konsistent mit einem Erklärungsansatz arbeiten. Vorgestellt wird eine Konzeption, die Schwimmen und Sinken mit Dichte und Verdrängung erklärt, eine andere Konzeption arbeitet mit Kräften. Abschließend werden zwei Unterrichtskonzeptionen zum Fliegen vorgestellt: Eine erklärt das Fliegen anhand des Bernoulligesetzes, die andere anhand von Strömungen.
Martin Hopf, Thomas Wilhelm

Kapitel 8. Unterrichtskonzeptionen zu elektrischen Stromkreisen

Zusammenfassung
Der traditionelle Physikunterricht zu einfachen elektrischen Stromkreisen fokussiert auf den Strombegriff, während didaktische Konzeptionen einen übermächtigen Strombegriff verhindern wollen. Der Karlsruher Physikkurs führt das elektrische Potenzial ein, um so die Spannung behandeln zu können. Die Bremer Konzeption behandelt den ebenen Wasserkreislauf, bei dem der Wasserpegelunterschied in einer Doppelwassersäule als Analogie zur Spannung einer Quelle dient. Während im IPN-Curriculum die Frage, wie mit Hilfe von elektrischen Stromkreisen Energie übertragen werden kann, nur zu Beginn behandelt wird, stellt diese Frage bei der Konzeption aus Weingarten den zentralen Unterrichtsgegenstand dar. Die Münchener Konzeption veranschaulicht das elektrische Potenzial und die elektrische Spannung vor allem anhand eines Stäbchenmodells. Die Frankfurter Konzeption führt das elektrische Potenzial in einem Elektronengasmodell über eine Luftdruckanalogie noch vor dem elektrischen Strom ein.
Jan-Philipp Burde, Thomas Wilhelm

Kapitel 9. Unterrichtskonzeptionen zum Magnetismus

Zusammenfassung
Magnetismus ist eines der wenigen Themen der Physik, das vom Kindergarten bis zur Sekundarstufe II vorkommt. Das Kapitel beschäftigt sich mit Unterrichtskonzeptionen zum Magnetismus in Festkörpern. Traditionell werden in der Sek. I Phänomene des Magnetismus und ein Elementarmagnet-Modell behandelt, in der Sek. II geht es dann um den Elektromagnetismus. Im Kapitel wird zunächst das Spiralcurriculum Magnetismus vorgestellt, in dem Vorschläge für eine aufbauende Kompetenzentwicklung von der Kita bis zur 7. Jahrgangsstufe gemacht werden. Das Eisen-Magnet-Modell fokussiert darauf, Phänomene der Wechselwirkung von Magneten untereinander bzw. mit Materie anhand einer Modellvorstellung zu erklären. Die Konzeption „Magnetismus hoch Vier“ nimmt neben dem Ferromagnetismus gleichzeitig den Dia- und den Paramagnetismus sowohl auf der Phänomenebene als auch der Theorieebene in den Blick.
Martin Hopf, Roland Berger

Kapitel 10. Unterrichtskonzeptionen zu Feldern und Wellen

Zusammenfassung
Es gibt nur wenige Unterrichtskonzeptionen zu Feldern oder Wellen. In der Sekundarstufe I geht es im traditionellen Unterricht um das Magnetfeld, wobei der Fokus auf Phänomenen liegt. Erst in der Sekundarstufe II werden dann auch andere Felder sowie die Wellen behandelt und mathematisch komplexere Zusammenhänge eingeführt. Die innovativen Unterrichtskonzeptionen des vorliegenden Kapitels fokussieren eher auf einzelne Aspekte. Vorgestellt wird das Ansatz, Elektrostatik mit Arbeitskarten zu erarbeiten. Danach wird vorgestellt, wie die Felder ausgehend von dynamischen Phänomenen her behandelt werden können. Dem Feldenergie-Konzept liegt der Gedanke zugrunde, dass es außer der Bewegungsenergie nur mehr in Feldern gespeicherte Energie gibt. Im Feldlinienkonzept werden die Anzahl der Feldlinien als Maß für den magnetischen Fluss aufgefasst damit die Induktion behandelt. Im Zeigerformalismus werden die Amplitude und Phase von Schwingungen und Wellen mit Zeigern dargestellt. Die ermöglicht eine umfassende Behandlung von Wellenausbreitung und -interferenz.
Roland Berger, Martin Hopf

Kapitel 11. Unterrichtskonzeptionen zur Quantenphysik

Zusammenfassung
Der traditionelle Quantenphysik-Unterricht baut auf historischen Experimenten auf und die traditionelle Atomphysik auf dem Bohr‘schen Atommodell. Innovative physikdidaktische Ansätze wählen andere Zugänge, von denen in dem Kapitel fünf vorgestellt werden. Eine Bremer Unterrichtskonzeption setzt die numerische Modellierung von Zuständen höherer Atome, um einen anschaulichen Begriff des quantenmechanischen stationären Zustands an Stelle des Bohr‘schen Atommodells zu setzen. Die Münchener Unterrichtskonzeption milq für die Sek. I und II betont dagegen die Wesenszüge der Quantenphysik und die Andersartigkeit gegenüber der klassischen Physik und möchte klare Begriffe herausbilden. Ebenfalls um ein Verständnis der Grundprinzipien der Quantenphysik bemüht ist eine Berliner Konzeption, die das Potentialtopf-Modell statt dem Bohr’schen Atommodell nutzt. Die Anwendung des Zeigerformalismus von Feynman ermöglicht es, quantenmechanische Wahrscheinlichkeiten vorherzusagen.
Rainer Müller, Thomas Wilhelm

Kapitel 12. Unterrichtskonzeptionen zu fortgeschrittenen Themen der Schulphysik

Zusammenfassung
Zu fortgeschrittenen Themen der Schulphysik gibt es keine umfassenden Unterrichtskonzeptionen. Im Kapitel werden die Bereiche Radioaktivität, Elementarteilchenphysik und Nichtlineare Dynamik/Chaos vorgestellt. Traditioneller Unterricht zur Radioaktivität stellt die verschiedenen Strahlungsarten und ihre Eigenschaften in den Mittelpunkt. Daneben wird eine Unterrichtskonzeption diskutiert, die die wahrscheinlichkeitstheoretischen Aspekte der Radioaktivität hervorhebt. Zur Elementarteilchenphysik werden die Arbeiten des Netzwerks Teilchenwelt vorgestellt, die Ladungen, Wechselwirkungen und Teilchen diskutieren. Daneben wird eine Konzeption zur Einführung der Elementarteilchenphysik im Anfangsunterricht diskutiert. Abschließend wird vorgestellt, wie Schülerinnen und Schülern aus Klasse 10 bzw. der gymnasialen Oberstufe Ideen zu Aspekten der nichtlinearen Physik nahegebracht werden kann.
Martin Hopf, Horst Schecker

Kapitel 13. Unterrichtskonzeptionen für Nature of Science (NOS)

Zusammenfassung
Fachdidaktische Forschung zeigt, dass Schülerinnen und Schüler naive und widersprüchliche Vorstellungen davon entwickeln, was naturwissenschaftliches Wissen kennzeichnet, was die naturwissenschaftlichen Disziplinen auszeichnet und wie in den Naturwissenschaften gearbeitet wird. Lernen über Physik entwickelt sich nicht einfach durch das Lernen von Physik. Um das Verständnis der Natur der Naturwissenschaften (Nature of Science, NOS) zu fördern, bedarf es spezifischer Methoden und Unterrichtskonzeptionen. Übergreifend gilt das Prinzip der expliziten Reflexion über NOS im direkten Zusammenhang mit physikalischen Sachthemen. Grundlage und Ausgangspunkt können Originaltexte und historische Fallstudien sein, aber auch Blackboxexperimente oder Sinnestäuschungen – auch, aber nicht nur, in Verbindung mit forschend-entdeckendem Unterricht. Im Kapitel werden vier Konzeptionen vorgestellt.
Dietmar Höttecke, Horst Schecker

Kapitel 14. Unterrichtskonzeptionen für fächerübergreifenden naturwissenschaftlichen Unterricht

Zusammenfassung
Fächerübergreifender Unterricht – als Oberbegriff – lässt sich nach der Art und Weise kategorisieren, wie die Inhalte aus verschiedenen Fächern vernetzt werden. In den vorgestellten Konzeptionen wird zunächst an einem Beispiel aus dem Sport gezeigt, wie im fachüberschreitenden Physikunterricht ein Kontext mehr sein kann als ein reiner Anwendungsbezug für physikalisches Fachwissen. Es folgen zwei Konzeptionen für die Umsetzung fächerverbindenden Unterrichts in der gymnasialen Oberstufe: in einem eigenständigen Zusatzfach „MINT“ und in einer engen Kooperation der Fächer Physik, Chemie und Biologie. Im fächerkoordinierenden Unterricht stehen lebensweltbezogene Probleme im Zentrum. Dies wird an zwei projektorientierten Beispielen veranschaulicht. Den Abschluss bildet eine Konzeption für eine integrierte naturwissenschaftliche Grundbildung, die konsequent interdisziplinär vermittelt wird.
Peter Labudde, Horst Schecker

Kapitel 15. Unterrichtskonzeptionen für die Förderung prozessbezogener Kompetenzen

Zusammenfassung
Prozessbezogene Kompetenzen beziehen sich auf Fähigkeiten, naturwissenschaftlich zu arbeiten, zu argumentieren und naturwissenschaftliches Wissen bei Handlungsentscheidungen heranzuziehen. Zunächst wird eine Konzeption vorgestellt, die Grundbegriffe naturwissenschaftlichen Denkens (z. B. Variable, Hypothese) systematisch einführt. Danach geht es um das Verständnis des Modellbegriffs in Verbindung mit einem Unterricht über das Teilchenmodell. Eine weitere Konzeption stellt anhand eines aktuellen Umweltthemas die Bewertungskompetenz in das Zentrum des Physikunterrichts. Der fachlichen Kommunikationskompetenz widmen sich drei Beispiele zum physikalischen Argumentieren, sachbezogenen Darstellen und adressatengemäßen Erklären. Drei weitere vorgestellte Konzeptionen zur Variablenkontrolle, Strukturierung experimenteller Untersuchungen und zum Umgang mit Messunsicherheiten fallen in den Bereich der experimentellen Kompetenz.
Horst Schecker, Dietmar Höttecke

Kapitel 16. Lösungen der Übungsaufgaben

Zusammenfassung
Fast alle Kapitel des Buches enthalten Übungsaufgaben zu den Unterrichtskonzeptionen. Wir stellen im Folgenden Lösungsskizzen zu den Übungsaufgaben vor. Die Bezeichnung „Skizzen“ bringt zum Ausdruck, dass die Antworten ausführlicher sein können und dass es nicht immer eine einzig mögliche oder eindeutig richtige Bearbeitung gibt. Die Übungen sollen zum Nachdenken über die jeweiligen Kapitelinhalte anregen. In physikdidaktischen Lehrveranstaltungen bieten die Aufgaben Anlässe, ausgewählte Unterrichtskonzeptionen nochmals zu vertiefen.
Thomas Wilhelm, Horst Schecker, Martin Hopf
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