Physikdidaktik: Theorie und Praxis, 2. Auflage (Springer-Lehrbuch)

Springer-Lehrbuch

Ernst Kircher · Raimund Girwidz · Peter Häußler Editors

Physikdidaktik Theorie und Praxis Zweite Auflage

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Prof. Dr. Ernst Kircher 97080 Würzburg Deutschland [email protected]

Prof. Dr. Raimund Girwidz Inst. Physik u. Physikdidaktik PH Ludwigsburg Reuterallee 46 71602 Ludwigsburg Deutschland [email protected] Prof. Dr. Peter Häußler 24113 Kiel Deutschland

ISSN 0937-7433 ISBN 978-3-642-01601-1 e-ISBN 978-3-642-01602-8 DOI 10.1007/978-3-642-01602-8 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007, 2009  Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMX Design GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.de)

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Vorwort zur 2. Auflage „Physikdidaktik – Theorie und Praxis“ In den 10 Jahren seit dem Erscheinen von „Physikdidaktik – eine Einführung“ hat sich in der bundesdeutschen Bildungspolitik Vieles, auch Relevantes für den naturwissenschaftlichen Unterricht verändert. Aus unserer Sicht gehen die Änderungen in eine wünschenswerte Richtung, - z.B. eine gewisse Vereinheitlichung von Lehrplänen und Prüfungsanforderungen in den Bundesländern, insgesamt eine stärkere positive Wahrnehmung der Naturwissenschaften und des naturwissenschaftlichen Unterrichts in der Öffentlichkeit. Daran haben auch Fachverbände der Naturwissenschaften, z.B. die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), der Fachdidaktiken (GDCP, GDF) und Lehrerverbände, insbesondere MNU beigetragen. Durch die Formulierung von Standards sowohl für die Lehrerbildung als auch für den Unterricht wurde ein notwendiger, grundsätzlich sinnvoller Reformweg eingeschlagen. Dieser Weg wird nicht leicht sein an den Hochschulen und in Schulen. Es mag bei der Umsetzung von Standards Irrungen und Wirrungen geben; es kommt auf gute Kommunikation und Kooperation von Lehreraus- und Lehrerfortbildung sowie der dazugehörigen Forschung an. Wir versuchen die anstehenden Reformen zu unterstützen, wohl wissend, dass Gelingen oder Misslingen dieser Bildungsreformen vor allem in den Fachkollegien der Schulen entschieden werden. Die vier neuen Aufsätze dieser 2. Auflage des Gesamtbandes wurden zur Unterstützung dieses Reformweges ausgewählt; sie befassen sich in unterschiedlicher Weise mit den Bemühungen zur Verbesserung des Physikunterrichts: „Standards und Physikaufgaben“, „Professionswissen und Fortbildung von Physiklehrern“, „Lehrerausbildung und Lehrerfortbildung – nach ´Bologna` und PISA“ und „Schülerlabore: Lernen durch Forschen und Entwickeln“. Natürlich wurden auch Beiträge aktualisiert, diejenigen, die von den Reformen betroffen sind (z.B. Kap. 2 „Ziele und Kompetenzen“) oder Neuerungen für die Schulpraxis („E-Learning“ in Kap. 5). Zur weiteren Verbesserung von „Physikdidaktik – Theorie und Praxis“ setzen wir weiterhin auf Kommunikation mit Ihren Vorstellungen, Erfahrungen und neuen Ideen: Ernst Kircher: [email protected] Raimund Girwidz: [email protected] Wir verwenden hier die weiblichen und männlichen Formen von Lernenden und Lehrenden der verschiedenen Ausbildungsphasen. Aus sprachlichen und aus Platzgründen werden nicht in jedem Falle beide Ausdrücke verwendet. Unser herzlicher Dank gilt den Autorinnen und Autoren für die kritische Durchsicht ihrer Beiträge, Dr. Johannes Günther sowie der Fachabteilung Physik des Springer Verlags für die Unterstützung bei der Fertigstellung der Druckvorlagen und der Gestaltung des Buches. Würzburg, Juni 2009

Ernst Kircher und Raimund Girwidz

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Inhaltsverzeichnis

Teil I: Physikdidaktik 0

Einführung: Was ist Physikdidaktik?......................................................................... 3 0.1 Was ist Physik? ...................................................................................................... 4 0.2 Was ist Didaktik?................................................................................................... 6 0.3 Physikdidaktik: Forschung und Lehre über Physikunterricht ................................ 8 0.4 Studienziele – physikdidaktische Kompetenzen .................................................. 12 Literatur ........................................................................................................................ 14

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Warum Physikunterricht? ......................................................................................... 15 1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick ............ 16 1.1.1 Zur Bildungstheorie und zu ihrem Einfluss auf den Physikunterricht.... 16 1.1.2 Pragmatische Schultheorie und naturwissenschaftlicher Unterricht....... 23 1.1.3 Zusammenfassende Bemerkungen ......................................................... 29 1.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts............................................ 30 1.2.1 Zur Entwicklung und zum Aufbau der Physik ....................................... 30 1.2.2 Zusammenfassung .................................................................................. 35 1.2.3 Über die Natur der Naturwissenschaften lernen ..................................... 36 1.2.4 Zusammenfassende Bemerkungen ......................................................... 41 1.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts....................................... 43 1.3.1 Die moderne technische Gesellschaft..................................................... 43 1.3.2 Veränderte Einstellungen zur Technik – Wertewandel .......................... 46 1.3.3 Technik- und Wissenschaftsethik ........................................................... 48 1.3.4 Naturwissenschaftlicher Unterricht und das Prinzip Verantwortung ..... 50 1.3.5 Umwelterziehung und Bildung der Nachhaltigkeit ................................ 51 1.3.6 Zusammenfassende Bemerkungen ......................................................... 54 1.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts............................................ 55 1.4.1 Die übergangene Sinnlichkeit im Physikunterricht – eine Kritik ........... 56 1.4.2 Schulphysik als Umgang mit den Dingen der Realität ........................... 58 1.4.3 Begegnung mit den Dingen der Realität in der Schulphysik.................. 61 1.4.4 Schülervorstellungen und humanes Lernen............................................ 63 1.4.5 Zusammenfassung .................................................................................. 66 1.5 Grundlagen dieser Physikdidaktik ....................................................................... 67 1.5.1 Dimensionen der Physikdidaktik............................................................ 67 1.5.2 Leitideen, physikdidaktische Dimensionen und methodische Prinzipien.................................................................... 71 1.5.3 Perspektiven des naturwissenschaftlichen Unterrichts ........................... 73 1.6 Ergänzende und weiterführende Literatur............................................................ 76 Literatur ........................................................................................................................ 78

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Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht........................................................... 83 2.1 Wie kommt man zu Zielen? ................................................................................. 84 2.1.1 Die didaktische Analyse im Physikunterricht......................................... 84 2.1.2 Gesichtspunkte für die Inhaltsauswahl – Fragenkatalog für die didaktische Analyse............................................. 88 2.2 Lernziele über Lernziele ...................................................................................... 91 2.2.1 Verschiedene Zielebenen........................................................................ 92 2.2.2 Zielklassen und Anforderungsstufen ...................................................... 95 2.3 Physikdidaktische Zielklassen ............................................................................. 97 2.3.1 Konzeptziele (Begriffliche Ziele)........................................................... 98 2.3.2 Prozessziele (Fähigkeiten und Fertigkeiten)........................................... 98 2.3.3 Soziale Ziele........................................................................................... 99 2.3.4 Ziele über Einstellungen und Werte ....................................................... 99 2.3.5 Zusammenfassung ................................................................................ 101 2.4 Bildungsstandards und Kompetenzen................................................................ 101 2.4.1 Allgemeine administrative Festlegungen ............................................. 101 2.4.2 Ausführungen zu den Kompetenzbereichen......................................... 102 2.4.3 Erwartungshorizont von Aufgaben....................................................... 106 2.4.4 Anmerkungen zu den Bildungsstandards für den Physikunterricht...... 108 2.5 Sachstrukturdiagramme – Lernzielformulierungen ........................................... 111 2.5.1 Sachstrukturdiagramme........................................................................ 111 2.5.2 Wie werden Lernziele formuliert?........................................................ 112 2.6 Ergänzende und weiterführende Literatur.......................................................... 112 Literatur ...................................................................................................................... 113

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Elementarisierung und didaktische Rekonstruktion ............................................. 115 3.1 Elementarisieren – didaktisch rekonstruieren: Wie macht man das?................. 116 3.1.1 Pestalozzis Traum – nicht nur historische Bemerkungen.................... 116 3.1.2 Kriterien der didaktischen Rekonstruktion........................................... 118 3.1.3 Heuristische Verfahren der didaktischen Rekonstruktion .................... 121 3.2 Didaktische Rekonstruktionen von begrifflichen und technischen Systemen.... 124 3.2.1 Ein Grundmuster des Physikunterrichts ............................................... 124 3.2.2 Vereinfachung durch Experimente....................................................... 127 3.2.3 Vereinfachung durch ikonische Darstellungen..................................... 128 3.2.4 Vereinfachung durch symbolische Darstellungen ................................ 130 3.2.5 Elementarisierung technischer Systeme ............................................... 133 3.3 Elementarisierung durch Analogien................................................................... 134 3.3.1 Was sind Analogien?............................................................................ 134 3.3.2 Beispiel: Die Wasseranalogie zum elektrischen Stromkreis ................ 135 3.3.3 Notwendige Bedingungen für Analogien im Physikunterricht............. 137 3.3.4 Zusammenfassung: Analogien im Physikunterricht .................................. 138 3.4 Über die Elementarisierung physikalischer Objekte und Methoden.................. 141 3.4.1 Zur Elementarisierung physikalischer Objekte .................................... 141 3.4.2 Elementarisierung physikalischer Methoden........................................ 142

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3.5 Zusammenfassung und Ausblick ....................................................................... 145 3.6 Ergänzende und weiterführende Literatur.......................................................... 147 Literatur ...................................................................................................................... 147 4

Methoden im Physikunterricht................................................................................ 149 4.1 Methodische Großformen .................................................................................. 151 4.1.1 Offener Unterricht – Freiarbeit............................................................. 151 4.1.2 Spiele im Physikunterricht ................................................................... 154 4.1.3 Das Projekt ........................................................................................... 160 4.1.4 Die Unterrichtseinheit – der Kurs......................................................... 166 4.2 Unterrichtskonzepte des Physikunterrichts.......................................................... 169 4.2.1 Exemplarischer Unterricht.................................................................... 169 4.2.2 Genetischer Unterricht.......................................................................... 171 4.2.3 Entdeckender Unterricht....................................................................... 174 4.2.4 Darbietender Unterricht........................................................................ 176 4.3 Artikulationsschemata – wie eine Unterrichtsstunde gegliedert wird ................ 178 4.3.1 Übersicht über einige Artikulationsschemata ....................................... 178 4.3.2 Die Phase der Motivation ..................................................................... 181 4.3.3 Zur Phase der Erarbeitung .................................................................... 185 4.3.4 Zur Phase der Vertiefung...................................................................... 187 4.4 Sozialformen im Physikunterricht...................................................................... 190 4.4.1 Gruppenunterricht................................................................................. 191 4.4.2 Individualisierter Unterricht ................................................................. 197 4.4.3 Frontalunterricht................................................................................... 198 4.5 Ergänzende und weiterführende Literatur.......................................................... 200 Literatur ...................................................................................................................... 200

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Medien im Physikunterricht .................................................................................... 203 5.1 Begriffe und Klassifikationen ............................................................................ 205 5.1.1 Medium, Medienpädagogik, Mediendidaktik....................................... 205 5.1.2 Klassifikationsschemata für Unterrichtsmedien ................................... 206 5.2 Grundlagenwissen zum Medieneinsatz.............................................................. 210 5.2.1 Wahrnehmung und Gedächtnis ............................................................ 211 5.2.2 Symbolsysteme und kognitive Repräsentation ..................................... 215 5.2.3 Bildhafte Darstellungen........................................................................ 217 5.3 Bilder und Texte im Physikunterricht ................................................................ 220 5.3.1 Die Funktion von Bildern ..................................................................... 220 5.3.2 Zum Instruktionsdesign mit Bildmedien .............................................. 224 5.3.3 Texte im Physikunterricht .................................................................... 225 5.4 Die klassischen Medien ..................................................................................... 229 5.4.1 Die Wandtafel....................................................................................... 229 5.4.2 Das Arbeitsblatt .................................................................................... 230 5.4.3 Das Schulbuch...................................................................................... 233 5.4.4 Der Arbeitsprojektor............................................................................. 236 5.4.5 Weitere Projektionsgeräte..................................................................... 239

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Inhaltsverzeichnis 5.4.6 Film- und Videotechnik - DVD und Videodisk ................................... 239 5.4.7 Weitere Medien .................................................................................... 243 5.5 Experimente im Physikunterricht....................................................................... 244 5.5.1 Experiment, Schulversuch und Medium .............................................. 244 5.5.2 Funktionelle Aspekte............................................................................ 245 5.5.3 Klassifikation physikalischer Schulexperimente.................................. 250 5.5.4 Empfehlungen für die Unterrichtspraxis .............................................. 253 5.5.5 Schülerexperimente .............................................................................. 259 Literatur ...................................................................................................................... 261

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Wie lässt sich der Lernerfolg messen? .................................................................... 265 6.1 Allgemeine Kriterien und Verfahren zur Messung des Lernerfolgs .................. 266 6.1.1 Gütekriterien zur Messung des Lernerfolgs ......................................... 266 6.1.2 Was kann und soll mit der Messung des Lernerfolgs bezweckt werden? ................................................................................ 269 6.1.3 Welche unterschiedliche Typen von Bewertungsverfahren gibt es? .... 272 6.2 Wie misst man den Lernerfolg im kognitiven Bereich? .................................... 274 6.2.1 Wie erfasst man kognitive Leistungen?................................................ 274 6.2.2 Schriftlichen Verfahren zur Bewertung kognitiver Leistungen............ 276 6.2.3 Lückentextaufgaben ............................................................................. 277 6.2.4 Multiplechoice- und Zuordnungsaufgaben........................................... 277 6.2.5 Begriffsnetze (Concept maps) .............................................................. 280 6.2.6 Aufgaben mit freier Antwort ................................................................ 283 6.2.7 Aufsätze................................................................................................ 284 6.2.8 Sammeln von Evidenzen (Portfolio-Methode)..................................... 286 6.2.9 Sieben Fehler bei der Formulierung schriftlicher Aufgaben ................ 289 6.3 Wie misst man den Lernerfolg im nichtkognitiven Bereich?............................. 295 6.3.1 Typen von Messverfahren .................................................................... 295 6.3.2 Messung von Kooperation vs. Konkurrenz .......................................... 301 6.3.3 Messung der motivierenden Wirkung des Unterrichts ........................ 302 6.3.4 Messung von Interessen ....................................................................... 303 6.3.5 Messung von Einstellungen.................................................................. 305 6.3.6 Messung des emotionalen Gehalts von Begriffen ................................ 306 6.3.7 Verfahren, die auf Beobachtung beruhen ............................................. 307 6.4 Zusammenstellung der beschriebenen Verfahren .............................................. 309 Literatur ...................................................................................................................... 310

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Planung und Analyse von Physikunterricht ........................................................... 311 7.1 Unterrichtsplanung............................................................................................. 312 7.1.1 Planungsmodelle .................................................................................. 312 7.1.2 Der Unterrichtsentwurf......................................................................... 315 7.1.3 Vorüberlegungen .................................................................................. 317 7.1.4 Die Unterrichtsskizze ........................................................................... 321 7.1.5 Schritte offener Unterrichtsplanung ..................................................... 323

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7.2

Analyse einer Unterrichtseinheit........................................................................ 326 7.2.1 Unterrichtsbeobachtung........................................................................ 327 7.2.2 Nachbesprechung – es ist noch kein Meister vom Himmel gefallen.... 330 7.2.3 Analysekriterien für die 2. Phase der Lehrerbildung ............................ 332 7.2.4 Abschließende Bemerkungen ............................................................... 335 Literatur ...................................................................................................................... 336

Teil II: Physikdidaktik in der Praxis 8

Aktuelle Methoden I – Projekte............................................................................... 339 8.1 „Die Sonne schickt uns keine Rechnung“ – eine Projektwoche ........................ 340 8.1.1 Physikalische und technische Grundlagen............................................ 340 8.1.2 Überblick über das Unterrichtsprojekt.................................................. 344 8.1.3 Projektverlauf ....................................................................................... 346 8.1.4 Schülerexperimente .............................................................................. 350 8.1.5 Zusammenfassung ................................................................................ 352 8.2 Projekt „Induktionsmotore“ ............................................................................... 354 8.2.1 Fachliches – Ideen für Schüleraktivitäten............................................. 354 8.2.2 Lernvoraussetzungen für das Projekt.................................................... 357 8.2.3 Schüleraktivitäten in den Gruppen ....................................................... 360 8.2.4 Abschließende Bemerkungen ............................................................... 368 Literatur ...................................................................................................................... 369

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Aktuelle Methoden II – Lernzirkel.......................................................................... 371 9.1. Lernzirkel „Einführung in die Akustik“............................................................. 372 9.1.1 Ziele, Lernbereiche und Stationen........................................................ 372 9.1.2 Fachliche Grundlagen........................................................................... 375 9.1.3 Unterrichtsmaterialien .......................................................................... 380 9.1.4 Zur Evaluation des Lernzirkels............................................................. 383 9.2. Lernzirkel „Laser“ ............................................................................................. 386 9.2.1 Lernvoraussetzungen, Inhalte und Organisation ................................. 386 9.2.2 Elementarisierung und didaktische Rekonstruktion des Lasers............ 387 9.2.3 Die Stationen des Lernzirkels............................................................... 392 9.2.4 Erfahrungen bei der Durchführung....................................................... 400 9.2.5 Anhang: Neue Laserschutzklassen ....................................................... 401 Literatur ...................................................................................................................... 402

10 Aktuelle Methoden III – Spiele ............................................................................... 403 10.1 Gespielte Physik – spielerische Physik .............................................................. 404 10.2 Konstruktionsspiele – technische Kreativität..................................................... 404 10.3 Gespielte Analogien – modellhaftes Lernen ...................................................... 410 10.4 Sinnhafte Spiele – ursprüngliches Verstehen..................................................... 416 Literatur ...................................................................................................................... 421

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11 Neue Medien und Multimedia ................................................................................. 423 11.1 Der Computer im Physikunterricht .................................................................... 424 11.2 Multimedia......................................................................................................... 426 11.3 Das Internet........................................................................................................ 435 11.3.1 Schwierigkeiten bei Internetrecherchen ............................................... 436 11.3.2 Information ordnen, Wissen vorstrukturieren....................................... 437 11.3.3 Aufgabenkultur für Internetrecherchen ................................................ 440 11.3.4 Grundstrategien für Internetrecherchen................................................ 441 11.4 E-Learning und Web 2.0.................................................................................... 442 11.4.1 Blended Learning ................................................................................. 443 11.4.2 Web 2.0 ................................................................................................ 445 11.4.3 Resümee ............................................................................................... 449 Literatur ...................................................................................................................... 449

Teil III: Moderne Teilgebiete des Physikunterrichts 12 Quantenphysik .......................................................................................................... 455 12.1 Vorbemerkungen ............................................................................................... 455 12.2 Experimente der Quantenphysik........................................................................ 456 12.2.1 Experimente, die mit Quantelung erklärt werden können .................... 456 12.2.2 Experimente, die man stochastisch beschreibt ..................................... 457 12.2.3 Experimente, die man mit Interferenz erklärt....................................... 458 12.2.4 Experimente zum Komplementaritätsprinzip ....................................... 460 12.3 Vorstellungen zur Quantenphysik...................................................................... 461 12.3.1 Quantenobjekte als kleine Kügelchen .................................................. 461 12.3.2 Quantenobjekte als Wellen................................................................... 463 12.3.3 Welle oder Kügelchen, je nach Experiment ......................................... 463 12.3.4 Etwas verteiltes Stoffliches .................................................................. 464 12.3.5 Die Kopenhagener Interpretation ......................................................... 465 12.3.6 Unbestimmtheit und Schrödingers Katze ............................................. 466 12.3.7 Zur Nichtlokalität ................................................................................. 467 12.4 Formalismen für Vorhersagen ........................................................................... 468 12.4.1 Der verbale Formalismus für Interferenz und Komplementarität......... 469 12.4.2 Der Zeiger-Formalismus ...................................................................... 472 12.4.3 Der Formalismus mit den Wahrscheinlichkeitspaketen ....................... 474 12.4.4 Lösen der stationären Schrödingergleichung........................................ 476 12.5 Fazit ................................................................................................................... 477 Literatur ...................................................................................................................... 478 13 Elementarteilchenphysik in der Schule................................................................... 479 13.1 Elementarteilchenphysik im Überblick.............................................................. 480 13.1.1 Die elementaren Teilchen..................................................................... 481 13.1.2 Die vier fundamentalen Kräfte ............................................................. 483 13.1.3 Neutrinos: Exoten unter den Elementarteilchen ................................... 489 13.1.4 Die Suche nach dem Higgs-Boson ....................................................... 495

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13.2 Unterricht zur Elementarteilchenphysik ............................................................ 496 13.2.1 Fachdidaktische Hinweise .................................................................... 496 13.2.2 Vermittlung der Teilchenphysik in verschiedenen Elementarisierungsstufen ..................................................................... 501 13.2.3 Punktuelle Behandlung teilchenphysikalischer Themen ...................... 505 Literatur ...................................................................................................................... 507 14 Astronomie im Physikunterricht ............................................................................. 509 14.1 Astronomische Entfernungsmessung ................................................................. 512 14.2 Übersicht über die Messmethoden ..................................................................... 513 14.3 Messung der Sonnenentfernung nach Aristarch................................................. 514 14.4 Messungen mit einem Sextanten........................................................................ 515 14.4.1 Diskussion der Messergebnisse ............................................................ 516 14.4.2 Vergleich mit Computerberechnungen................................................. 517 14.4.3 Methodische und didaktische Empfehlungen ....................................... 517 14.5 Die Entfernung des Mondes.............................................................................. 519 14.5.1 Kooperatives Projekt zur Messung der Mondparallaxe........................ 519 14.5.2 Beispiel: Der Mond zwischen Saturn und Jupiter ................................ 520 14.5.3 Auswertung .......................................................................................... 521 14.6 Abstandsverhältnisse im Sonnensystem ........................................................... 522 14.6.1 Bestimmung der Bahnradien ................................................................ 522 14.6.2 Bestimmung des Radius der Marsbahn ................................................ 523 14.7 Internet-Projekt: Auswertung des Venustransits am 8. Juni 2004 ..................... 524 14.7.1 Die parallaktische Verschiebung von Venus und die Entfernung der Sonne.............................................................................................. 525 14.7.2 Schlussfolgerungen............................................................................... 526 14.8 Astronomisches Schlechtwetter-Praktikum ....................................................... 527 14.8.1 Beispiel: Die Rotation der Sonne und die Astronomische Einheit ....... 527 14.8.2 Beispiel: Die Entfernung von Barnards Pfeilstern................................ 528 Literatur ...................................................................................................................... 529 15 Chaos und Strukturbildung ..................................................................................... 531 15.1 Deterministisch und unvorhersagbar.................................................................. 532 15.2 Chaotische Schwingungen ................................................................................. 534 15.2.1 Das exzentrische Drehpendel ............................................................... 534 15.2.2 Das chaotische Überschlagspendel....................................................... 536 15.2.3 Der chaotische Prellball........................................................................ 537 15.2.4 Elektromagnetische Schwinger ............................................................ 537 15.2.5 Chaotisches Wasserrad......................................................................... 538 15.2.6 Der tropfende Wasserhahn ................................................................... 539 15.3 Dissipative Strukturen........................................................................................ 540 15.3.1 Bénardkonvektion als dissipative Struktur ........................................... 542 15.3.2 Sand als dissipative Struktur................................................................. 543 15.3.3 Dissipative Strukturbildung bei der Entstehung von Flussnetzwerken ............................................................................ 544

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15.4 Fraktale .............................................................................................................. 545 15.4.1 Elemente der fraktalen Geometrie........................................................ 546 15.4.2 Fraktale als physikalische Objekte ....................................................... 549 15.4.3 Fraktale als nichtlineare Systeme ......................................................... 551 15.4.4 Fraktale als Thema des Physikunterrichts ............................................ 551 Literatur ...................................................................................................................... 555 16 Wege in die Nanowelt ............................................................................................... 557 16.1 Mikro, Nano & technologischer Wandel ........................................................... 557 16.1.1 Bilder eines komplexen Nanokosmos .................................................. 558 16.1.2 Reisen in die Nanowelt: Skalierungen.................................................. 559 16.1.3 Ertaste die Nano-Wirklichkeit.............................................................. 560 16.1.4 Erfühle die molekulare Komplexität .................................................... 562 16.1.5 Kreative Potenziale fördern.................................................................. 563 Literatur ...................................................................................................................... 564 16.2 Nanotechnologien für maßgeschneiderte Materialien und Bauelemente ........... 565 16.2.1 Potenziale der Nanotechnologie ........................................................... 566 16.2.2 Realisierungsformen von Nanostrukturen ............................................ 569 16.2.3 Herstellungsverfahren .......................................................................... 570 16.2.4 Anwendungen....................................................................................... 574 Literatur ...................................................................................................................... 578

Teil IV: Aktuelle Beiträge zur Physikdidaktik 17 Mädchen im Physikunterricht ................................................................................. 583 17.1 Einleitung........................................................................................................... 583 17.2 Ein erster Überblick ........................................................................................... 584 17.2.1 Die besondere Situation der Mädchen im Physikunterricht ................. 584 17.2.2 Einige Ursachen ................................................................................... 584 17.2.3 Ansatzpunkte, um den Mädchen besser gerecht zu werden ................. 587 17.3 Fachdidaktische Beiträge zur Förderung der Mädchen im Physikunterricht ..... 588 17.3.1 Konkrete Unterrichtsvorschläge ........................................................... 588 17.3.2 Die Interessenstudien des IPN.............................................................. 588 17.3.3 Der BLK-Modellversuch...................................................................... 591 17.3.4 Die Schweizer Koedukationsstudie ...................................................... 594 17.3.5 Fehlende sinnstiftende Kontexte .......................................................... 600 17.4 Fazit ................................................................................................................... 602 Literatur ...................................................................................................................... 603 18 Alltagsvorstellungen und Physik lernen.................................................................. 605 18.1 Beispiele für Alltagsvorstellungen..................................................................... 605 18.1.1 Vorstellungen zu Phänomenen und Begriffen...................................... 605 18.1.2 Vorstellungen über die Physik und über das Lernen ............................ 609 18.1.3 Lehrervorstellungen.............................................................................. 610

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18.2 Vorstellungen und Lernen.................................................................................. 610 18.2.1 Vorunterrichtliche Vorstellungen berücksichtigen............................... 610 18.2.2 Lernen................................................................................................... 611 18.2.3 Zur Rolle von Vorstellungen beim Lernen........................................... 613 18.2.4 Konzeptwechsel.................................................................................... 615 18.3 Unterricht auf der Basis von vorunterrichtlichen Vorstellungen ....................... 616 18.3.1 Anknüpfen – Umdeuten – Konfrontieren ............................................. 617 18.3.2 Unterrichtsstrategien, die Konzeptwechsel unterstützen ...................... 618 18.3.3 Wärme – Temperatur – Energie ........................................................... 619 18.3.4 Vorstellungen zum Teilchenmodell...................................................... 623 18.4 Anmerkungen und Literaturhinweise................................................................. 627 18.4.1 Abschließende Anmerkungen............................................................... 627 18.4.2 Literaturübersicht zu Alltagsvorstellungen........................................... 628 Literatur ...................................................................................................................... 629 19 Neue Medien unter lernpsychologischen Aspekten................................................ 631 19.1 Multimodalität, Multicodierung, Interaktivität .................................................. 632 19.2 Theorien zum Lernen mit multiplen Repräsentationen...................................... 635 19.2.1 Theorie zum Multimedialernen von Mayer.......................................... 635 19.2.2 Das integrierte Modell des Text- und Bildverstehens nach Schnotz und Bannert .................................................................... 637 19.2.3 Darstellungsvielfalt und Lernen in Physik ........................................... 639 19.3 Kognitive Belastungen und Maßnahmen ........................................................... 641 19.3.1 Cognitive load berücksichtigen ............................................................ 641 19.3.2 Supplantationkonzept und Kohärenzbildung........................................ 645 19.3.3 Adaptive Programme............................................................................ 646 19.4 Komplexes Lernen und Multimedia................................................................... 647 19.4.1 Hilfen zum Aufbau mentaler Modelle.................................................. 647 19.4.2 Kognitive Flexibilität fördern............................................................... 650 19.4.3 Situiertes Lernen und Wissensverankerung.......................................... 652 19.4.4 Wissensstrukturierung und Vernetzung................................................ 654 Literatur ...................................................................................................................... 658 20 Standards und Physikaufgaben ............................................................................... 663 20.1 Aufgabeneinsatz in Unterricht und Test ............................................................ 663 20.2 Qualität von Aufgaben....................................................................................... 665 20.3 Merkmale von Aufgaben ................................................................................... 667 20.3.1 Offenheit von Aufgaben ....................................................................... 668 20.3.2 Art der Lösungswege............................................................................ 669 20.3.3 Curricularer Bezug ............................................................................... 669 20.3.4 Antwortformat ...................................................................................... 670 20.3.5 Experimenteller Anteil ......................................................................... 670 20.3.6 Anforderungsmerkmale ........................................................................ 671

XVI

Inhaltsverzeichnis

20.4 Aufgabenmerkmale und Lernprozesse............................................................... 672 20.4.1 Bezug zu Lernprozessen....................................................................... 672 20.4.2 Kontextualisierung ............................................................................... 673 20.4.3 Einsatz von Hilfen ................................................................................ 674 20.4.4 Bezug zu Schülervorstellungen ............................................................ 674 20.4.5 Umgang mit Fehlern............................................................................. 675 20.4.6 Beziehung zu anderen Aufgaben.......................................................... 676 20.4.7 Verfügbarkeit des Fachwissens ............................................................ 677 20.5 Kompetenzmodelle ............................................................................................ 677 20.5.1 Kognitive Prozesse ............................................................................... 677 20.5.2 Komplexität.......................................................................................... 678 20.5.3 Kompetenzstufen.................................................................................. 679 20.6 Kompetenzen in anderen Bereichen .................................................................. 680 20.6.1 Kompetenzbereich Kommunikation..................................................... 680 20.6.2 Kompetenzbereich Bewertung ............................................................. 681 20.6.3 Lesekompetenz..................................................................................... 681 20.6.4 Statistische Kennwerte ......................................................................... 682 20.7 Aufgabenbeispiele ............................................................................................. 683 20.8 Abschließende Bemerkungen ............................................................................ 686 Literatur ...................................................................................................................... 687 21 Professionswissen und Fortbildung von Physiklehrern......................................... 689 21.1 Professionswissen und Unterrichtsqualität ........................................................ 689 21.2 Forschungsansätze zum Professionswissen von Lehrern................................... 693 21.2.1 Operationalisierung des Fachwissens................................................... 694 21.2.2 Operationalisierung des fachdidaktischen Wissens.............................. 696 21.2.3 Zusammenhang zwischen Fachwissen, fachdidaktischem Wissen und Unterricht ...................................................................................... 697 21.2.4 Pädagogisches Wissen.......................................................................... 698 21.2.5 Implikationen für die Aus- und Fortbildung......................................... 700 21.3 Lernprozessorientierte Fortbildung.................................................................... 700 21.3.1 Lernprozessorientierte Fortbildung zum Proffessionswissen ............... 700 21.3.2 Auswahl des Fortbildungsthemas......................................................... 701 21.3.3 Wichtige Basismodelle für den Physikunterricht ................................. 702 21.3.4 Verlauf der Fortbildung........................................................................ 703 21.4 Ergebnisse der Fortbildung ................................................................................ 704 21.5 Zusammenfassung ............................................................................................. 704 Literatur ...................................................................................................................... 705 22 Lehrerausbildung und Lehrerfortbildung – nach „Bologna“ und PISA ............. 709 22.1 Lehrerausbildung ............................................................................................... 709 22.1.1 Die Vereinbarung von Bologna: Bachelor und Master ........................ 709 22.1.2 Lehrerausbildung und Unterrichtskompetenz....................................... 712 22.1.3 Reform der Studieninhalte.................................................................... 714 22.1.4 Schulpraktische Studien ....................................................................... 718

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XVII

22.2 Die zweite Phase der Lehrerbildung .................................................................. 719 22.2.1 Ausbildungsstandards........................................................................... 719 22.2.2 Reformvielfalt in den Bundesländern................................................... 721 22.3 Fortbildung von Lehrerinnen und Lehrern......................................................... 721 22.3.1 Lernen im Beruf ................................................................................... 721 22.3.2 Kriterien für erfolgreiche Lehrerfortbildung ........................................ 723 22.3.3 Bundesweite Fortbildungsprogramme.................................................. 724 22.3.4 Regionale Lehrerfortbildung ................................................................ 726 22.3.5 Schulinterne Lehrerfortbildung ............................................................ 727 22.3.6 Unterrichtsvideos in der Lehrerbildung................................................ 730 22.4 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................... 731 Literatur ...................................................................................................................... 732 23 Modellbegriff und Modellbildung in der Physikdidaktik...................................... 735 23.1 Erläuterungen und Festlegungen zum Modellbegriff......................................... 735 23.1.1 Zweckmäßigkeit und Konventionen..................................................... 735 23.1.2 Eingrenzung des Modellbegriffs .......................................................... 736 23.1.3 Erläuterungen zum Modellbegriff ........................................................ 737 23.1.4 Formale Darstellung des Erkenntnisprozesses und Modelldefinition ............................................................................ 738 23.1.5 „Analogien“ zwischen Modell und Objekt........................................... 739 23.2 Beziehungen zwischen Modell und Objekt........................................................ 741 23.2.1 Das Abbildungsmerkmal ...................................................................... 741 23.2.2 Das Verkürzungsmerkmal .................................................................... 742 23.2.3 Gegenständliche Modelle: Strukturmodelle, Funktionsmodelle, gestaltähnliche Modelle........................................................................ 743 23.3 Eigenschaften von Modellen.............................................................................. 745 23.3.1 Anschaulichkeit von Modellen............................................................. 745 23.3.2 Einfachheit von Modellen .................................................................... 747 23.3.3 Transparenz von Modellen ................................................................... 749 23.3.4 Vertrautheit von Modellen ................................................................... 750 23.3.5 Produktivität von Modellen .................................................................. 751 23.3.6 Bedeutsamkeit von Modellen ............................................................... 752 23.4 Funktionen von Modellen .................................................................................. 753 23.4.1 Erklärungen durch Modelle .................................................................. 754 23.4.2 Prognosen durch Modelle..................................................................... 755 23.4.3 Lernen durch Modelle .......................................................................... 757 23.5 Klassifikation von Modellen.............................................................................. 758 Literatur ...................................................................................................................... 761 24 Über die Natur der Naturwissenschaften lernen.................................................... 763 24.1 Über die Natur der Naturwissenschaften lernen – Ziele und Inhalte ................. 764 24.1.1 Naturwissenschaften und Wirklichkeit................................................. 764 24.1.2 Was sind Naturwissenschaften? ........................................................... 767 24.1.3 Technik- und wissenschaftsethische Aspekte....................................... 770

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24.2 Standardmethoden der Naturwissenschaften ..................................................... 774 24.2.1 Zur induktiven Methode ....................................................................... 774 24.2.2 Zur hypothetisch-deduktiven Methode................................................. 778 24.3 Historische Beschreibungen naturwissenschaftlicher Theoriebildung............... 780 24.3.1 Naturwissenschaftliche Revolution und Normalwissenschaft.............. 780 24.3.2 Naturwissenschaften als historische Tradition ..................................... 786 24.3.3 Naturwissenschaften als abstrakte und historische Tradition ............... 788 24.4 Theoriebildung in der Physik – Modellbildung im Physikunterricht................. 790 24.4.1 Über Theoriebildung in der Physik ...................................................... 790 24.4.2 Über Modellbildung im Physikunterricht............................................. 793 24.4.3 Über die Bedeutung von Experimenten in der Physik und im Physikunterricht ....................................................................... 794 24.5 Ergänzende und weiterführende Literatur.......................................................... 797 Literatur ...................................................................................................................... 797 25 Schülerlabore: Lernen durch Forschen und Entwickeln ...................................... 799 25.1 Labore als außerschulische Lernorte: Erfolgsgeschichte einer Bildungsinnovation ................................................................................... 799 25.2 Komplexe Lernumgebung: Einheit in der Vielfalt von Schülerlaborkonzepten................................................................................ 801 25.2.1 Gemeinsame Ziele und Gestaltungsmerkmale ..................................... 801 25.2.2 Fachspezifische Differenzierungen der Angebote................................ 802 25.2.3 Balance von Instruktion und Konstruktion........................................... 803 25.3 Wirkungsforschung: Die kontraintuitive Effektivität der Laboraktivitäten ....... 805 25.4 Unterrichtsentwicklung: Renaissance des erfahrungsbasierten Lernens............ 808 25.4.1 Arbeitsweisen erfahrbar machen: Lehr-Lern-Zyklen ........................... 808 25.4.2 Kreative Prozesse erfahrbar machen: Experimente als Werkzeuge und Flügel des Geistes.......................................................................... 809 25.4.3 Wissen verkörpern: Handlungsmuster & Abstraktionen ...................... 810 25.4.4 Gestaltung von Laborprojekten: Gelingenskriterien für forschendes Lernen ......................................................................... 811 25.4.5 Lernen durch Experimentieren: Ist-Zustand......................................... 813 25.4.6 Forschend lernen: Unterrichtsmuster verändern................................... 814 25.5 Die Hefe im Teig: Brauchen wir auch künftig Schülerlabore? .......................... 816 Literatur ...................................................................................................................... 817 Stichwortverzeichnis ....................................................................................................... 819

144 2 45 3 46 4 47 5 48 6 49 7 50 8 51 9 52 10 53 11 54 12 55 13 56 14 57 15 58 16 59 17 60 18 61 19 62 20 63 21 64 22 65 23 66 24 67 25 68 26 69 27 70 28 71 29 72 30 73 31 74 32 75 33 76 34 77 35 78 36 79 37 80 38 81 39 82 40 83 41 84 42 85 43 86

Autorenverzeichnis Udo Backhaus, Prof. Dr. Universität Duisburg-Essen, Didaktik der Physik Borowski, Andreas, Dr. Gymnasiallehrer Universität Duisburg-Essen, Didaktik der Physik AG Fischer Reinders Duit, Prof. Dr. Universität Kiel (IPN), Didaktik der Physik Manfred Euler, Prof. Dr. Universität Kiel (IPN), Didaktik der Physik Hans E. Fischer, Prof. Dr. Universität Duisburg-Essen, Graduiertenkolleg „ Naturwissenschaftl. Unterricht“ Helmut Fischler, Prof. Dr. FU Berlin, Didaktik der Physik Alfred Forchel, Prof. Dr. Universität Würzburg, Physikalisches Institut Thomas Gessner, Gymnasiallehrer Gymnasium Hößbach und Didaktik der Physik Universität Würzburg Raimund Girwidz, Prof. Dr. PH Ludwigsburg , Physik und Physikdidaktik Ellen Guenther, Grundschullehrerin Grundschule Rothenbuch Johannes Günther, Dr. Gymnasiallehrer Gymnasium Karlstadt German Hacker, Dr. 1. Bürgermeister der Stadt Herzogenaurach (ehem. Seminarlehrer Gymnasium) Herzogenaurach Peter Häußler, Prof. Dr. Kiel Helmut Hilscher, Prof. Dr. Barbing b. Regensburg Alexander Kauertz, Prof. Dr. PH Weingarten, Physik und Physikdidaktik Ernst Kircher, Pof. Dr. Würzburg Josef Küblbeck, Dr. Seminarleiter Gymnasium Gymnasium Ludwigsburg

XX Peter Labudde, Prof. Dr. PH Basel/ Schweiz Daniela Lieb, Realschullehrerin Realschule Hößbach Volkhard Nordmeier, Prof. Dr. FU Berlin, Didaktik der Physik Wolfgang Reusch, Akad. Direktor Universität Würzburg, Physikalisches Institut Joachim Schlichting, Prof. Dr. Universität Münster, Didaktik der Physik Thomas Wilhelm, Dr. Gymnasiallehrer Universität Würzburg, Didaktik der Physik Rita Wodzinski, Profin Dr. Universität Kassel, Didaktik der Physik

Autorenverzeichnis

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Ernst Kircher

0 Einführung: Was ist Physikdidaktik? 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. 1. Lassen Sie mich zuerst den Ausdruck Physikdidaktik etwas näher charakterisieren in einer für die Universität typischen Weise: Man zerlegt ein „Ding“ in seine Bestandteile. In unserem Falle ist das „Ding“ keine chemische Substanz, kein physikalisches Objekt, kein Lebewesen, sondern ein Begriff. Diesen zerlegen wir, um dadurch zu einem ersten Verständnis des Ausdrucks „Physikdidaktik“ zu kommen, nämlich durch die Fragen: „Was ist Physik?“, „Was ist Didaktik?“. Ich möchte aber ausdrücklich hervorheben, dass durch diese Zerstückelungstaktik der Ausdruck „Physikdidaktik“ nicht vollständig erklärt wird. Für ein vorläufiges Verständnis mag uns diese Methode genügen; im Allgemeinen gilt aber, dass das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile. 2. Sicher sind Sie auch daran interessiert zu erfahren, was im Verlauf der Vorlesung „Physikdidaktik – eine Einführung“ auf Sie zukommt: In Kap. 1 geht es um die Begründung des Physikunterrichts, um seine gegenwärtige und künftige Bedeutung für den Einzelnen und für die Gesellschaft. Die Begründungen hängen daher von Weltbildern und Lebensstilen von Einzelnen und der Gesellschaft ab. Die folgenden Kapitel betreffen Ihren Beruf im engeren Sinne. Die Kapitel 2 bis 7 sollen zu Ihrer Professionalität als Physiklehrerin und als Physiklehrer beitragen. Es werden Grundkenntnisse und Grundfertigkeiten Ihres Berufs thematisiert.

4 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

0 Einführung: Was ist Physikdidaktik?

0.1 Was ist Physik? „Es gibt keine völlig eindeutige Definition darüber, was Physik ist oder welche Gebiete zur Physik gehören und welche nicht“ (v. Oy 1977, 5). Eine nahe liegende Antwort auf diese Frage lautet: Physik ist, was die Physiker tun. Da Ihre Ausbildung zum Physiklehrer hauptsächlich in einem physikalischen Institut (Department) erfolgt, können Sie das vor Ort authentisch erfahren. Sie können aufgrund der Spezialisierung in der Physik ganz unterschiedliche Erfahrungen machen. Dabei können sich auch folgende Fragen stellen: Dürfen Physiker arbeiten was und wie sie wollen? Was ist das Ziel dieser Tätigkeiten? Gibt es ein immer wiederholbares Schema für diese Tätigkeiten, eine genau festgelegte Methode der Physik? Warum sind die Tätigkeiten so wie sie sind? Könnten sie auch andersartig sein? Kann man zwischen Physik und „Nichtphysik“ unterscheiden? Wie zuverlässig ist physikalisches Wissen? Eine oberflächliche Klassifizierung, die Sie durchgängig in allen physikalischen Instituten antreffen würden, mag auch für eine erste Antwort auf die obige Frage genügen, nämlich die Unterscheidung zwischen theoretischer und experimenteller Physik. Theoretische Physik

1. Die theoretische Physik befasst sich mit der „Beschreibung“, „Erklärung“, „Prognose“ von raum-zeitlichen Änderungen von physikalischen Objekten. Das bedeutet das Entwerfen, den Aufbau, Ausbau und Präzisierung, die Änderungen, Vereinfachungen und Erläuterungen, die Konsistenzprüfungen von physikalischen Theorien. Anstatt „physikalische Theorie“ verwendet man auch die Ausdrucksweise: Das begriffliche System der Physik „beschreibt“, „erklärt“, „prognostiziert“, „systematisiert“ die raum-zeitlichen Änderungen von physikalischen Objekten. Dazu werden Begriffe und Begriffszusammenhänge, z. B. Theorien, Gesetze, Regeln, Axiome, Konstanten verwendet. Ein Problem für das Lernen der Physik ist dabei, dass Begriffe wie „Arbeit“ oder „Kraft“, die ursprünglich der Umgangssprache entstammen, in der Physik häufig eine andere, vor allem auch eine präzisere Bedeutung haben. Ein wichtiges Hilfsmittel insbesondere der theoretischen Physik ist die Mathematik. Natürlich werden heutzutage für die häufig sehr schwierigen und langwierigen Berechnungen für das prognostizierte Verhalten von physikalischen Objekten Computer eingesetzt. Etwas vereinfachend kann man sagen: Die theoretische Physik entwirft, prüft und entwickelt das

0.1 Was ist Physik? 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129

5

begriffliche System der Physik. Ihr wichtigstes Handwerkszeug ist die Mathematik. 2. Theoretische Physiker arbeiten eng mit Experimentalphysikern zusammen. In der Experimentalphysik werden Experimente konzipiert, (z. T. in Zusammenarbeit mit Theoretikern), komplexe Versuchsanordnungen aufgebaut, für den Betrieb vorbereitet, (wie z. B. das Evakuieren von Messräumen), Messgeräte kontrolliert, beobachtet, Messdaten ausgedruckt, auf verschiedene Weisen dargestellt und interpretiert, kritisch überprüft, verworfen, nach Fehlern gesucht, Alternativen entwickelt für den Versuchsaufbau, für die Interpretation der Daten wird das Experiment wiederholt. Um immer genauer zu messen, um noch kleinere, noch komplexere Objekte zu untersuchen, sind für die Experimente der aktuellen Forschung modernste technische Geräte gerade gut genug; aber selbst diese reichen nicht immer aus, sondern es müssen häufig noch genauere, leistungsfähigere Geräte entwickelt werden.

Experimentalphysik

Wir fassen zusammen: Experimentalphysiker und theoretische Physiker entwickeln die methodische Struktur der Physik, entwerfen und sichern die begriffliche Struktur der Physik und schaffen die Grundlagen für technische Anwendungen der Physik.

Methodische Struktur der Physik

3. Durch diese Erläuterungen ist noch vieles über Physik offen geblieben: Was ist eigentlich ein physikalisches Objekt, was eine physikalische Theorie, ein Experiment? Wie unterscheiden sich eine physikalische Definition (z. B. elektr. Widerstand: R = U/I) von einem physikalischen Gesetz (z. B. ohmsches Gesetz: I = U/R für R = const.)? Wie ist die Physik aufgebaut? Welche Bedeutung hat die Physik für die Gesellschaft, für das Individuum? Dürfen Naturwissenschaftler erforschen und entwickeln, was sie wollen? Wie unabhängig ist die naturwissenschaftliche Forschung?

Begriffliche Struktur der Physik

Der bekannte Physikdidaktiker Martin Wagenschein fragte außerdem: „Was verändert sich durch Physik? Wie verändern wir, indem wir sie hervorbringen, das Natur-Bild, und wie verändern wir uns dabei selber? Was tut Physik der Natur an und was uns?“ (Wagenschein 19764, 12). Ich möchte diese auch heute noch hochaktuellen Fragen vorläufig zurückstellen, aber ich verspreche Ihnen, dass ich auch versuche, auf solche Fragen eine Antwort zu geben (s. Kap. 1.3, 1.4).

6 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172

0 Einführung: Was ist Physikdidaktik?

0.2 Was ist Didaktik? Der Ausdruck „Didaktik“ entstammt dem pädagogischen Bereich. „Didaktik im weiteren Sinne“ beschäftigt sich mit dem Sinn von Lehren und Lernen. Sie beschreibt und reflektiert außerdem historische Schulmodelle und auch die Konzeption neuer Entwürfe für schulisches Lernen aufgrund von gesellschaftlichen Veränderungen, seien diese durch Änderungen der Lebensgrundlagen oder durch politische oder technische Entwicklungen bedingt. Wenn Sie bereits mit dem erziehungswissenschaftlichen Studium begonnen haben, sind diese und die folgenden Bemerkungen hierüber nur vereinfachende Zusammenfassungen.

Didaktik im weiteren Sinne

1. Bei der folgenden Abb. 0.1 geht es nicht um die Bedeutung dieser vielen Ausdrücke im Umfeld von Pädagogik, sondern in erster Linie um die Frage: Wie hängen diese pädagogischen Ausdrücke zusammen?

PÄDAGOGIK Historisch-systematische Rekonstruktion von Erziehungswirklichkeit

DIDAKTIK im weiteren Sinne Theorie der Bildungsinhalte und des Lehrplans; Wissenschaft vom Lehren und Lernen

DIDAKTIK im engeren Sinne

METHODIK

empirische

Theorie der Bildungsaufgaben, -inhalte und -kategorien, ihres Bildungssinns und ihrer Auswahlkriterien

Frage nach den pädagogischen Wegen, Methoden und Formen der Medien

UNTERRICHTSFORSCHUNG

Allgemeine Didaktik

Physikdidaktik im weiteren Sinne

Lehr-/ Lernforschung

Allgemeine Methodenlehre

FACHWISSENSCHAFTEN als Bezugsdisziplinen Germanistik

Chemie

Physik

Theologie

Ökologie

Kunst

Musik

u.s.w.

Abb. 0.1: Physikdidaktik und Pädagogik (nach Jank & Meyer 1991)

0.2 Was ist Didaktik? 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215

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Dieser Abbildung folgend, schließt der Begriff „Pädagogik“ auf der nächsten unteren Ebene die „Didaktik im weiteren Sinne“ ein. Es folgt dann eine weitere Auffächerung in die beiden wichtigen Unterbegriffe „Didaktik im engeren Sinne“ und „Methodik“. Diese implizieren auf der 4. Ebene die Fachdidaktik und Fachmethodik, in unserem Falle die Physikdidaktik und Physikmethodik.

Didaktik im engeren Sinne

In der Abb. 0.2 ist dargestellt, was im Folgenden unter „Physikdidaktik im weiteren Sinne“ verstanden wird: Naturwissenschafts didaktik

Physikdidaktik im weiteren Sinne

Physikdidaktik im engeren Sinne und Physikmethodik

• • •

Physikdidaktische Unterrichtsforschung

Physikdidaktik und Methodik der Primarstufe (Grundschule) der Sekundarstufe I (Hauptschule, Realschule, Gymnasium) der Sekundarstufe II (Kollegstufe)

Abb. 0.2: Physikdidaktik im weiteren Sinne Das bedeutet, dass diese „Physikdidaktik“ für Lehrkräfte der Primarstufe, insbesondere für die der Sekundarstufe I (Hauptschule, Realschule, Gymnasium) und der Sekundarstufe II relevant ist. Außerdem kann diese „Physikdidaktik“ für „Naturwissenschaftlichen Unterricht“ und die Ausbildung von Naturwissenschaftslehrern herangezogen werden. 2. Fachwissenschaften, wie die Physik, gehen in dieser Betrachtung als „Bezugswissenschaften“ in die Fachdidaktiken ein. Die „Physikdidaktik“ gehört nach dieser Klassifikation zur Pädagogik bzw. zu den Erziehungswissenschaften. Sie bezieht sich „nur“ auf die Physik. Das bedeutet, dass solide Physikkenntnisse als Grundlage physikdidaktischer Tätigkeiten (Überlegungen, Entscheidungen, Handlungen) bei jedem Physiklehrer verfügbar sein müssen.

Physik ist die wichtigste Bezugswissenschaft der Physikdidaktik

3. Zur Unterscheidung von Didaktik (i. e. S.) und Methodik möchte ich Ihnen die gleiche sehr vereinfachende Formulierung mit auf Ihren Weg als zukünftige Lehrer geben, die bei mir in meiner Lehrerausbildung erfolgreich war: Die Didaktik (i. e. S.) befasst sich mit

Implikationszusammenhang von Didaktik und Methodik

8 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258

0 Einführung: Was ist Physikdidaktik? dem „Was“, d. h. mit Zielen und Inhalten, die Methodik mit dem „Wie“, d. h. den möglichen „Wegen“ des Unterrichts, den Methoden und Medien. In der traditionellen Auffassung bestimmen die Ziele und Inhalte die Methoden und Medien. Heutzutage ist man der Auffassung, dass zwischen Didaktik und Methodik ein enger Zusammenhang besteht; man verwendet dafür auch den Ausdruck „Implikationszusammenhang“. Wie in Kap. 4 und 5 noch näher ausgeführt ist, gibt es auch „Methoden“ (z. B. Gruppenunterricht) und „Medien“ (z. B. Computer), die bestimmte wichtige Ziele einschließen. In solchen Fällen bestimmen die Methoden und Medien die physikalischen Inhalte, d. h. die traditionelle pädagogische Auffassung wird in solchen Fällen auf den Kopf gestellt.

0.3 Physikdidaktik: Forschung und Lehre über Physikunterricht Bezugswissenschaften aus den Naturwissenschaften

1. Der Physikunterricht berührt mehr als die Physik; offensichtlich werden im Physikunterricht auch technische Themen behandelt. Manchmal werden Fachdisziplinen wie Biologie, Chemie, Meteorologie, Astronomie tangiert; das geschieht insbesondere dann, wenn man Projekte im Unterricht durchführt. Diese sind typischerweise interdisziplinär, d. h. zwischen verschiedenen Disziplinen angesiedelt und damit auch das Fach überschreitend.

Bezugswissenschaften aus den Geistes- und Erziehungswissenschaften

Aber auch ohne Projekte und ohne integrierten naturwissenschaftlichen Unterricht, d. h. im ganz „normalen“ Physikunterricht reicht die Physik allein nicht aus. Manchmal wird die Geschichte der Physik mit einbezogen. Um etwas „über“ die Physik zu sagen, benötigt der Physiklehrer erkenntnis- und wissenschaftstheoretisches Wissen. Außerdem gibt es Bezüge zur Pädagogik, zur Psychologie und zur Soziologie (wie Ihnen aufgrund Ihrer erziehungswissenschaftlichen Studien bekannt ist). Aufgrund dieser Zusammenhänge mit einer Vielzahl anderer Fächer spricht man von der Physikdidaktik als einer interdisziplinären Wissenschaft.

Physikdidaktik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft

Die Einflüsse dieser Bezugswissenschaften können recht unterschiedlich sein. Im Allgemeinen kann man davon ausgehen, dass Physik, Technik, Pädagogik, Philosophie, Soziologie und Psychologie von besonderer Bedeutung für die Physikdidaktik sind.

0.3 Physikdidaktik: Forschung und Lehre über Physikunterricht 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301

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Abb. 0.3: Naturwissenschaftliche Bezugswissenschaften der Physikdidaktik Wie bereits angedeutet, können etwa bei Unterrichtsprojekten beliebige thematische Bereiche aus anderen Disziplinen, z. B. aus der Medizin oder den Rechtswissenschaften, eine ebenbürtige, prinzipiell sogar eine dominierende Rolle für eine gewisse Zeit spielen (schulpraktisches Beispiel: Projekt „Nutzung der Kernenergie“). Mit diesen Aussagen habe ich vermutlich Ihre bisherigen Vorstellungen über Physikunterricht ausgeweitet. Ich möchte meine Auffassung deutlich artikulieren: • ein zeitgemäßer Physikunterricht ist auch fachüberschreitend, • allgemeine didaktische und methodisch-psychologische Überlegungen bestimmen den Unterricht gleichermaßen wie das Fach Physik. 2. Nicht immer waren Physikdidaktiker dieser Auffassung. So schrieb beispielsweise Grimsehl (1911, 2) in seiner „Didaktik und Methodik der Physik“, dass „die naturwissenschaftliche Forschungsmethode … auf jeder Stufe des Physikunterrichts das Vorbild für die Unterrichtsmethode“ sein soll. Der Physikunterricht sollte also ein vereinfachtes Abbild der Physik sein, nicht nur hinsichtlich der Inhalte, sondern auch hinsichtlich der Methode. Die Dominanz des Faches Physik reicht etwa im Gymnasium und z. T.

Drei Perspektiven des Physikunterrichts

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0 Einführung: Was ist Physikdidaktik? auch in der Realschule bis in den heutigen Physikunterricht, auch wenn den derzeitigen Lehrplänen der Realschule und des Gymnasiums zeitgemäßere Auffassungen über den Physikunterricht zugrunde liegen.

Die fachliche „Brille“ genügt nicht mehr

Aber diese Betrachtung durch eine fachliche „Brille“ genügt heutzutage nicht mehr. Denn aus der fachlichen Perspektive allein kommt dem Physikunterricht nur die Bedeutung zu, Physik als eine Art Kulturgut zu vermitteln, ähnlich wie Musik, Malerei oder klassische Gedichte. Staat und Gesellschaft haben ein berechtigtes Interesse für den Fortbestand unserer technikorientierten Zivilisation, aber auch für eine intakte Umwelt für die gegenwärtige Generation und vor allem für die künftige.

Die gesellschaftliche „Brille“

Durch die gesellschaftliche „Brille“ bilden sich neue didaktische Schwerpunkte und neue Ziele des Physikunterrichts. Damit ändern sich auch die Methoden, weil die neuen Ziele komplexere Fragestellungen behandeln und nicht nur physikalisches Wissen vermitteln oder physikalische Probleme lösen sollen. Gesellschaftliche Fragen unserer Zeit sollen mit naturwissenschaftlichem Hintergrundwissen erörtert werden; damit sind zum Beispiel auch Verhaltensänderungen im Zusammenhang mit dem Umweltschutz intendiert.

Die pädagogische „Brille“

Sie sollen als künftige Lehrerin bzw. künftiger Lehrer noch eine dritte Perspektive einnehmen, wenn Sie Physik unterrichten; es ist die pädagogische. Der bereits eingangs erwähnte Martin Wagenschein (19764) hat hierauf besonders in seinem Buch: „Die pädagogische Dimension der Physik“ aufmerksam gemacht. Diesen Titel ein wenig verändernd spreche ich von der „Pädagogischen Dimension des Physikunterrichts“ (Kircher 1995). Was ist damit gemeint? Wenn ein Lehrer, was gelegentlich vorkommen soll, nur eine fachliche „Brille“ zur Verfügung hat, vergisst er die Schüler, die Kinder, die Jugendlichen, die Heranwachsenden. Für diese muss der Physiklehrer mehr sein als ein sprechendes Physikbuch und ein experimentierender Roboter. Er muss Physik und physikalische Kontexte allen Schülern erklären können, trotz unterschiedlicher Lernvoraussetzungen und Interessen der Schüler einer Klasse. Er muss physikalische Gespräche, Diskussionen zwischen den Schülern anregen und moderieren können. Wagenschein hat dafür den Ausdruck „genetisch unterrichten“ geprägt. Das ist freilich noch nicht alles, was die pädagogische Dimension des Physikunterrichts charakterisiert. Der Lehrer muss die Schüler in ihren Schulleistungen, aber auch in ihrem alltäglichen Verhalten gegenüber Mitschülern und der Klassengemeinschaft gerecht beurteilen, Zwistigkeiten schlichten, in gewisser

0.3 Physikdidaktik: Forschung und Lehre über Physikunterricht 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387

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Hinsicht auch Vorbild für die Schüler sein. Selbst private Probleme sind nicht tabu für den verständnisvollen, hilfsbereiten Lehrer, trotz der latenten Problematik von Privatem zwischen Lehrer und Schüler. 4. Während Sie als Lehrer oder Lehrerin die fachliche bzw. die gesellschaftliche „Brille“ mal aufsetzen, mal absetzen können, sollten Sie versuchen, die pädagogische Brille während der ganzen Zeit aufzubehalten, in der sie unterrichten. Während des Studiums und während der Referendarzeit sollte die pädagogische Perspektive zu einer Grundeinstellung jedes Lehrers werden. Man sollte sie in einer Klasse auch in solchen Situationen beibehalten, wo dies sehr schwer fällt.

Die pädagogische „Brille“ sollte ein Lehrer nie absetzen

Ich betone dies hier, weil insbesondere künftige Naturwissenschaftslehrer durch ihr intensives Fachstudium in Gefahr sind, die pädagogische Dimension des Physikunterrichts aus den Augen zu verlieren. Man kann von einer subjektorientierten Physikdidaktik sprechen, in der im Allgemeinen die lernenden Kinder und Jugendlichen im Mittelpunkt stehen – nicht etwa die Physik.

Subjektorientierte Physikdidaktik

5. Ich habe in dieser „Einführung“ noch nicht über die physikdidaktische Forschung gesprochen. Ich möchte es bei einigen wenigen Bemerkungen und Beispielen bewenden lassen, weil Sie sich erst im 5. und 6. Semester gedanklich mit ihrer Zulassungsarbeit und damit mit der Frage beschäftigen werden: In welchem Fach fertige ich die Zulassungsarbeit an?

Physikdidaktische Forschung

In der Physikdidaktik bieten sich eine ganze Reihe von attraktiven Themenstellungen an, z. B.: • Fachlich/gesellschaftlich orientierte Projekte im PhU (z. B. „Alternative Energie“, „Lärm und Lärmschutz“, „Farben“...) • Elementarisierung neuer physikal. Theorien/ neuer techn. Geräte z. B. „Chaostheorie“, „Moderne Astrophysik“, „Computer im PhU“, „Moderne Kamera“, „Laser“...) • Lernvoraussetzungen, Einstellungen und Interessen der Schüler (empirische Untersuchungen über Alltagsvorstellungen...) • Konzeption von Unterrichtseinheiten und Analyse im Unterricht (Projekte, Lernzirkel, Spiele, Elementarisierungen neuer Fachinhalte (z.B. der modernen Physik)…) • Wirkungen von Medien im PhU (empirische Untersuchungen über Computer, Schulbuch, spezifische Schulexperimente, Analogien) Die Ergebnisse der physikdidaktischen Forschung werden in Zeitschriften und wissenschaftlichen Buchreihen publiziert, die von Kolleginnen und Kollegen herausgegeben werden.

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Zeitschriften im deutschsprachigen Raum

0 Einführung: Was ist Physikdidaktik? Zeitschriften im deutschsprachigen Raum: • „Naturwissenschaften im Unterricht-Physik“ (NiU Physik): vorwiegend Sekundarstufe I • „Praxis der Naturwissenschaften Physik - Physik in der Schule“ (PdN-PhiS): beide Sekundarstufen und Primarstufe • „Der mathematisch naturwissenschaftliche Unterricht“ (MNU): Gymnasium, Realschule, seit 2009 auch Primarstufe • „Zeitschrift für die Didaktik der Naturwissenschaften“ (ZfDN): Naturwissenschaftsdidaktische Forschung (Theorie und Empirie) • Der Physikunterricht (1984 eingestellt) • Physica didactica (1991 eingestellt) • Physik und Didaktik (1994 eingestellt) • PhyDid: Internetzeitschrift der DPG (http://www.phydid.de) Zur Professionalität eines Lehrers gehört, aktuelle Forschungsbeiträge und Diskussionen der Physikdidaktik zu kennen. Diese finden Sie ausführlich in publizierten Dissertationen und Habilitationen, (z.B. in der von H. Niedderer, H. Fischler & E. Sumfleth herausgegebene Reihe „Studien zum Physik- und Chemielernen“).

Wissenschaftliche Buchreihe

Natürlich wäre es auch wünschenswert, dass Sie während Ihres Studiums auch den internationalen Stand der Forschung über den Physikunterricht verfolgen würden. Die folgenden englischsprachigen Zeitschriften sind leider nicht an allen Universitäten zugänglich:

Internationale Zeitschriften

• • • • •

Physics Education The Physics Teacher International Journal of Science Education Science Education Journal of the Research in Science Education

• Science & Education

0.4 Studienziele – physikdidaktische Kompetenzen 1. Im Zuge der Studienreformen an Hochschulen der Länder der Europäischen Union (sogenannter „Bologna – Prozess“) sollen auch die Studienpläne für die Lehrerbildung bis spätestens 2011 umgestellt sein. Lehrveranstaltungen sind nun aufeinander aufbauende „Module“, die je nach zeitlichem Umfang mit einer bestimmten Anzahl von Punkten („credit points“) belegt sind. Neu ist dabei auch,

0.4 Studienziele – physikdidaktische Kompetenzen 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473

dass jedes Modul mit einer Prüfung abgeschlossen wird; die dabei gezeigte Leistung geht in die Endnote der universitären Prüfung ein. Ein erfolgreiches Lehramtsstudium wird nach 6 Semstern mit dem akademischen Titel BA (Bachelor of Arts) abgeschlossen; nach weiteren 3 Semestern kann der Titel MA (Master of Arts) erworben werden. Man begründet diese Neuausrichtung des Lehramtsstudiums vor allem damit, dass den Studierenden der Lehrämter künftig eine größere Anzahl an Berufsmöglichkeiten erschlossen wird. Aber nicht alle Bundesländer (z.B. Bayern) verzichten aus formalen Gründen (Lehrer sind Landesbeamte) auf die nun eigentlich überflüssige 1. Staatsprüfung (s. Kap.22). 2. Nach den Vorschlägen der Gesellschaft für Fachdidaktik (GFD) (2005) und der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) (2006) hat die Kultusministerkonferenz der Bundesländer (KMK 2008) „Ländergemeinsame inhaltliche Anforderungen für die fachwissenschaften und Fachdidaktiken in der Lehrerbildung“ beschlossen. Für das Lehramtsstudium im Fach Physik bedeutet dies folgendes „Kompetenzprofil von Studienabsolventinnen und -absolventen : Sie „verfügen über die grundlegenden Fähigkeiten für gezielte und nach wissenschaftlichen Erkenntnissen gestaltete Vermittlungs-, Lern- und Bildungsprozesse im Fach Physik. Sie • verfügen über anschlussfähiges physikalisches Fachwissen, das es ihnen ermöglicht, Unterrichtskonzepte und -medien fachlich zu gestalten, inhaltlich zu bewerten, neuere physikalische Forschung in Übersichtsdarstellungen zu verfolgen und neue Themen in den Unterricht einzubringen, • sind vertraut mit den Arbeits- und Erkenntnismethoden der Physik und verfügen über Kenntnisse und Fertigkeiten im Experimentieren und im Handhaben von (schultypischen) Geräten, • kennen die Ideengeschichte ausgewählter physikalischer Theorien und Begriffe sowie den Prozess der Gewinnung physikalischer Erkenntnisse (Wissen über Physik) und können die gesellschaftliche Bedeutung der Physik begründen, • verfügen über anschlussfähiges fachdidaktisches Wissen, insbes. solide Kenntnisse fachdidaktischer Konzeptionen, der Ergebnisse physikbezogener Lehr-Lern-Forschung, typischer Lernschwierigkeiten und Schülervorstellungen in den Themengebieten des Physikunterrichts, sowie von Möglichkeiten, Schülerinnen und Schüler für das Lernen von Physik zu motivieren,

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0 Einführung: Was ist Physikdidaktik? • verfügen über erste reflektierte Erfahrungen im Planen und Gestalten strukturierter Lehrgänge (Unterrichtseinheiten) sowie im Durchführen von Unterrichtsstunden“ (KMK 2008, 30).

Keine Unterschiede der physikdidaktischen Studieninhalte zwischen Sek I und Sek II

Bei den physikdidaktischen Studieninhalten wird im Allgemeinen nicht zwischen dem Studium für das Lehramt der Sekundarstufe I bzw. dem der Sekundarstufe II unterschieden (KMK 2008, 31). 3. Durch dieses Lehrbuch werden beispielsweise folgende Kompetenzen unterstützt: • Fähigkeit zur begründeten Darlegung von Bildungszielen des Physikunterrichts (s. Kap. 1, 25), • Kenntnis und Beurteilung beispielhafter fachdidaktischer Ansätze für die Unterstützung von Lernprozessen (s. Kap. 4, 18), • Fähigkeit zur Auswahl von Medien und Methoden sowie zur Gestaltung von Einsatzkontexten, um fachliche Lernprozesse zu unterstützen (s. Kap. 4, 5, 11, 19), • Fähigkeit zur Elementarisierung und didaktischen Rekonstruktion ausgewählter Fachkonzepte und Erkenntnisweisen (s. Kap.3), • Kenntnis von Standarddefinitionen, von Studien und Methoden zur Erfassung und Beurteilung von Schülerleistungen (s. Kap. 2, 6, 20, 22) Natürlich kann kein Lehrbuch die Übungen in den Seminaren, vor allem nicht die Praktika in den Schulen ersetzen. Diese Physikdidaktik soll Anregungen geben für eine zeitgemäße Lehrerbildung, für das Schulfach Physik und für einen zeitgemäßen Physikunterricht.

Literatur DPG (2006). Thesen für ein modernes Lehramtsstudium im Fach Physik. (Internet April 2009) GFD (2005). Fachdidaktische Kompetenzbereiche, Kompetenzen und Standards frür die 1. Phase der Lehrerbildung (BA + Ma). (April 2009 Internet) Grimsehl, E. (1977). Didaktik und Methodik der Physik. München,1911. Reprint: Bad Salzdetfurth. v. Hentig, H. (1966). Platonisches Lehren. Stuttgart: Klett. Jank, J. & Meyer, H. (1991). Didaktische Modelle. Frankfurt: Cornelsen Scriptor. KMK (2008). Ländergemeinsame inhaltliche Anforderunge für die Fachwissenschaften und Fachdidaktiken in der Lehrerbildung. (Internet April 2009) Niedderer, H., Fischler, H. & Sumfleth, E. (Hrsg.). Studien zum Physik- und Chemielernen. Berlin: Logos Verlag. Kircher, E. (1995). Studien zur Physikdidaktik. Kiel: IPN. v. Oy, K. (1977). Was ist Physik? Stuttgart: Klett. Wagenschein, M. (19764). Die pädagogische Dimension der Physik. Braunschweig: Westermann.

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Ernst Kircher

1 Warum Physikunterricht? 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 u.a. 2000a,b; Baumert u.a. 2001; Prenzel u.a. 2004) sind solche Fragen zur Zeit für alle Schulfächer in der Bundesrepublik hochaktuell. Im Folgenden werden die bereits in der einführenden Lektion erwähnten fachlichen, gesellschaftlichen und pädagogischen Gründe näher ausgeführt werden, die für Physikunterricht an den allgemeinbildenden Schulen sprechen (s. dazu Muckenfuß 1995; Braun 1998; Jung 19992; Mikelskis 2006). Zunächst werden die traditionellen Begründungen kurz gestreift, die in Deutschland vor allem auf der Bildungstheorie, in den USA auf dem philosophischen Pragmatismus basieren (Abschnitt 1.1). Aufgrund von Anmerkungen über die gegenwärtige Physik (Abschnitt 1.2), über Änderungen in der Gesellschaft (Abschnitt 1.3) und über Akzentverschiebungen in den pädagogischen Auffassungen über Bildung und Erziehung (Abschnitt 1.4) werden aktuelle Eckpunkte für den Physikunterricht skizziert (1.5). Das Ziel dieser Überlegungen ist eine zeitgemäße Begründung des Physikunterrichts als eine zentrale Aufgabe einer zeitgemäßen Physikdidaktik. Diese Begründungen sollen auch Sie davon überzeugen, dass der Physikunterricht gegenwärtig wichtig ist und auch künftig wichtig sein wird: Mit diesem Hintergrund wird Ihr künftiger Beruf mehr als nur ein beliebiger Job. In der folgenden Abbildung sind die theoretischen Ausgangspunkte dieser „Physikdidaktik“ schematisch dargestellt.

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1 Warum Physikunterricht?

1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick 1.1.1 Zur Bildungstheorie und zu ihrem Einfluss auf den Physikunterricht „Fachdidaktik ohne Beziehungen zur Bildungstheorie müsste ein Torso bleiben, da sie in solcher Isolierung ihr eigentliches, nämlich ihr pädagogisches Thema gar nicht zu Gesicht bekäme“ (Klafki 1963, 90). Die Bildungstheorie ist ein deutsches Kind mit europäischen Eltern. Sie ist in den Epochen der Aufklärung und des Neuhumanismus zu Beginn des 19. Jahrhunderts entstanden. Zu ihren geistigen Vätern zählen Platon, Rousseau und Kant im weiteren Sinne, der Bildungspolitiker Wilhelm v. Humboldt und der Pädagoge Friedrich Schleiermacher im engeren Sinne. Die Bildungstheorie hat im Verlaufe ihrer fast zweihundertjährigen Geschichte vielerlei Deutungen und Missdeutungen erfahren; aber sie lebt immer noch.

W. v. Humboldt (1767 – 1835) Individualität, Totalität, Universalität

Die Naturwissenschaften führten in den Gymnasien ein Schattendasein.

1. Wir beginnen mit W. v. Humboldts (1767-1835) Auffassung von „Bildung“. Sein Menschenbild ist, typisch für die Zeit um 1800, an der idealisierten und glorifizierten Antike orientiert – „Jeder sei auf seine Art ein Grieche, aber er sei’s“ (Goethe) – mit seiner edlen, hilfsbereiten, moralisch hervorgehobenen Persönlichkeit („Edel sei der Mensch, hilfreich und gut“ (Schiller)). Dieser Mensch ist vernunftgeleitet, souverän im Denken und Handeln, klassisch-universell gebildet. Trotz dieser vielseitigen Kenntnisse, die als eine „vielgliedrige Ganzheit, eine Totalität“ (Reble 199418, 194) anzusehen sind, verfügen diese überragenden Menschen auch über spezifische Schwerpunkte entsprechend ihren natürlichen Fähigkeiten und darüber hinaus über universelle Bildung. Vereinfachend und unterschiedliche Auffassungen im Detail etwa zwischen v. Humboldt und Schleiermacher negierend, sollen die drei Begriffe: Individualität, Totalität, Universalität, für die Grundlage der klassischen Bildungstheorie stehen. Entsprechend den griechischen Vorbildern, niedergelegt etwa in den Schriften des Philosophen Platon, sollten auch die Kinder und Jugendlichen der Neuzeit erzogen werden. Bei dieser Verherrlichung der antiken Welt wundert es nicht, dass sich die „Bildung“ durch die Beschäftigung mit den alten Sprachen (Griechisch und Latein) und den entsprechenden antiken Kulturen vollzog. Die Schüler sollten dadurch zu idealen Menschen heranreifen. Die Naturwissenschaften führten daher in den Gymnasien ein Schattendasein: Man benötigte sie nur wegen der angestrebten universellen Bildung ein wenig; für die Erziehung edler Menschen waren sie überflüssig. Die selbstbestimmte moralische Verantwortlichkeit, die

1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129

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moralische Handlungsbereitschaft und Handlungsfähigkeit – zentrale Forderungen der bildungstheoretischen Klassiker (s. Klafki 19965, 30 f.), konnten angesichts des erst beginnenden Einflusses der Naturwissenschaften auf die Umwelt und die Gesellschaft auch ohne gründliche Beschäftigung mit den „Realien“ als möglich erscheinen. Allerdings unterschied sich auch damals zu Beginn des 19. Jahrhunderts wie heute die pädagogische Theorie von der pädagogischen Praxis. Das schulpraktische Geschehen verlief ‚realistischer‘, „als es angesichts der formgebundenen pädagogischen Grundanschauungen des Neuhumanismus im Schulwesen hätte überhaupt eintreten können“ (Schöler 1970, 88). Dieser latente Konflikt führte z. B. in Preußen im Jahre 1832 zur Aufspaltung in „humanistische Gymnasien“ und „Realgymnasien“ (Oberrealschulen). Das Abitur der Realgymnasien wurde aber erst 1900 als gleichberechtigt für den Zugang zu Universitäten anerkannt (s. Willer 1990, 194 f.). In den Volksschulen wird die Bildungstheorie naturgemäß kaum durch die Überbewertung alter Sprachen und Kulturen beeinflusst. Zwar gleichen die allgemeinen Ziele in wesentlichen Punkten denen des Gymnasiums, aber der Weg für die intellektuelle, die religiössittliche und körperliche Ausbildung versteift sich nicht auf den Umgang mit der Antike. Nach Pestalozzis (1746 – 1827) Auffassung enthielt die nächste Umgebung des Schülers alle wesentlichen Elemente für die „Harmonie der Bildung beider Geschlechter in Hinsicht auf’s allgemein Menschliche, Geistige, Gemüthliche, Sittliche und Religiöse“ (zit. nach Schöler 1970, 134). Die Stärkung der „geistigen Kräfte“ bilden auch den Kern seiner pädagogischen Auffassungen. Die heutzutage im Zusammenhang mit der Entwicklungshilfe für die Länder der 3. Welt verwendete Formulierung „Hilfe zur Selbsthilfe“ trifft Pestalozzis Intentionen für die Waisenkinder, die er in seinen Modellschulen in der Schweiz unterrichtete. Sein methodisches Prinzip „mit Herz, Kopf und Hand“ hätte auch zu einem gründlichen Umgang mit den Dingen führen können. Aber seine „Elementarmethode“, eine aus heutiger naturwissenschaftsdidaktischer Sicht unverständlich naive Auffassung über die Realität, führte schon zu Lebzeiten Pestalozzis zu Kontroversen (s. Schöler 1970, 135 ff.). Denn das sinnvolle „Prinzip der Anschauung“ blieb in Pestalozzis Interpretation an der Oberfläche der Objekte: Pestalozzi hielt durchgängig für alle naturwissenschaftlichen Fächer die Form, die Zahl und den sprachlichen Ausdruck für relevant und hinreichend. Die mit Hilfe von Experimenten erforschten raum-zeitlichen Änderungen eines physikalischen Systems blieben ebenso außerhalb

Preußen (1832): „humanistische Gymnasien“ und „Realgymnasien“

Pestalozzis (1746 – 1827) methodisches Prinzip: „mit Herz, Kopf und Hand“

Prinzip der Anschauung bleibt an der „Oberfläche“

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1 Warum Physikunterricht? seines Blickwinkels, wie die Frage nach dem „Warum“ der beobachteten Phänomene.

Vorläufige Zusammenfassung

Vorläufige Zusammenfassung: In den Anfängen der Bildungstheorie wird nach idealisierten antiken Vorbildern ein allseitig gebildeter, ausgeglichener Mensch mit spezifischen Schwerpunkten gefordert. Er soll im Hinblick auf die Gesellschaft auch verantwortungsbewusst, handlungsbereit und handlungsfähig sein. Aus unterschiedlichen Gründen spielen bei den Leitfiguren der klassischen Bildungstheorie, W. v. Humboldt und Pestalozzi, die Naturwissenschaften weder für die Gymnasien noch für die Volksschulen eine wesentliche Rolle.

Formale Bildung Materiale Bildung

2. Die mit der Bildungstheorie neu begonnene Diskussion um Begründungen und damit zusammenhängend um Ziele allgemeinbildender Schulen setzte den Schwerpunkt auf die Entwicklung der im Menschen angelegten Fähigkeiten. Man sprach von „formaler Bildung“ (s. Kerschensteiner 1914; Lind 1996). Dagegen spielten Kenntnisse von Fakten, von Gesetzmäßigkeiten in der Natur und die Erklärung theoretischer Zusammenhänge eine geringe Rolle. Diese „materiale Bildung“ galt zu Beginn des 19. Jahrhunderts zumindest in den Gymnasien als ungeeignet für die „wahre Bildung“, als zweitklassig, weil sie mit Berufsausbildung, Geld verdienen, mit Alltäglichem und Nützlichem in Verbindung stand. Diese Einstellung der für die gymnasiale Schulpolitik Verantwortlichen war in gewisser Weise auch gegen die Naturwissenschaften gerichtet. Heutzutage wird diese Haltung als Versuch des sogenannten Bildungsbürgertums interpretiert, seine gesellschaftliche Stellung gegen das im Zusammenhang mit der beginnenden Industrialisierung entstehende Wirtschaftsbürgertum zu verteidigen (s. Lind 1997, 6 ff.). Der Interessenkonflikt war offensichtlich. Die höheren Verwaltungsbeamten, die Universitäts- und Gymnasiallehrer, die Richter, die das Bildungsbürgertum repräsentierten, benötigten eher formale Fähigkeiten (wie z. B. „Menschenführung“), als naturwissenschaftliche Kenntnisse und deren Anwendung in der Technik. Wie erwähnt wurde diese zum Teil sehr polemisch geführte Auseinandersetzung dadurch zu lösen versucht, dass man das Gymnasium aufspaltete. In den neu entstandenen Oberrealschulen sollten die anders gelagerten Interessen des Wirtschaftsbürgertums berücksichtigt werden durch das Lehren und Lernen der „Realien“. Um den Status dieser „geschlossenen“ Gesellschaft des höheren Berufsbeamtentums zu sichern, verstanden es ihre Mitglieder bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts, die Realgymnasien als zweitklassig im Vergleich mit humanistischen Gymnasien darzustellen. Ein deutliches äußeres Zei-

1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215

chen dafür war, dass der erfolgreiche Schulabschluss an einem Realgymnasium keine allgemeine Studierfähigkeit an den Universitäten beinhaltete. Lind (1997, 8) schreibt über die Realgymnasien und über den vorläufigen Ausgang dieses internen Streits der höheren Schulen in den deutschen Ländern: „Aus einem Werkzeug der Emanzipation wurde eine Vorbereitungsschule für niedere Beamte“. Erst im Jahre 1900 wurde durch kaiserlichen Erlass festgelegt, dass die höheren Lehranstalten gleichwertig sind (Schöler 1970, 241). Auch im Hinblick auf die theoretischen Erörterungen der formalen und materialen Bildung durch den naturwissenschaftlichen Unterricht setzten sich bis in unser Jahrhundert die „Philologen“ durch (s. Muckenfuß 1995, 192 ff.), auch wenn man schließlich dem naturwissenschaftlichen Unterricht einen formalen Bildungswert zugestand. Dieses ist insbesondere ein Verdienst von Georg Kerschensteiner. Er argumentierte, dass die Naturwissenschaften besonders geeignet seien, die „Beobachtungskraft“, die „Denkkraft“, die „Urteilskraft“ und die „Willenskraft“ zu fördern. Physikalisches Wissen und seine Anwendung in der Technik wird aber, so scheint es, bis auf den heutigen Tag von manchen „Philologen“ in Gymnasien, Universitäten (s. z.B. Schwanitz 2002) und in Kultusministerien bestenfalls als Hilfsmittel formaler Bildung betrachtet.

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Realgymnasien bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts zweitklassig

Georg Kerschensteiner (1854 – 1932) Methodenbildung

Einen anderen Weg als das Gymnasium ist die Volksschule gegangen. Sie orientierte sich stärker an Schulpraktikern wie Stephani und Diesterweg, die auch über ein besseres Verständnis der Naturwissenschaften verfügten und relevantere Auffassungen über den naturwissenschaftlichen Unterricht vertraten als der große Schweizer Pädagoge Pestalozzi. Man kann sie als Väter des naturwissenschaftlichen Unterrichts der Volksschule bezeichnen. Zwar lesen wir auch bei Stephani (1813, 9 zit. Schöler 1970, 140): Es ist „die selbsttätige Kraft im Menschen zweckmäßig zu entwickeln“. Aber dieses übergeordnete formale Bildungsziel muss sich bei ihm an geeigneten Unterrichtsinhalten vollziehen. Stephani betrachtet daher die Einheit von formaler und materialer Bildung als notwendig. Diese Auffassung trägt mit dazu bei, dass in Stephanis „Erziehungshilfen“ die „Naturlehre“ (dazu gehören u. a. Physik und Chemie) und die „Naturgeschichte“ (u. a. Biologie) als eigenständige Fächer konzipiert sind. Das bedeutete auch die Trennung des naturwissenschaftlichen Unterrichts von dem bis dahin üblichen theologischen Überbau. Über ein weit verzweigtes Netz von Lehrerfortbildungsstätten versuchte Stephani im ersten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts seine Ideen

Stephani: Einheit von formaler und materialer Bildung ist notwendig.

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1 Warum Physikunterricht? in die Praxis der bayerischen Volksschulen einzuführen. Der von ihm maßgeblich beeinflusste Lehrplan von 1806 versuchte „humanistische und realistische Tendenzen sinnvoll miteinander zu verbinden und die historisch überkommenen Lehrinhalte unter Berücksichtigung formaler und materialer Prinzipien zu einer allseitigen Bildung auszuformen“ (Schöler 1970, 174).

Adolf Diesterweg (1790 – 1866)

Menschenbildung durch die naturwissenschaftliche Methode

Bekannter als das Wirken Heinrich Stephanis in Bayern ist das Wirken Adolf Diesterwegs in Preußen. Über die Lehrerausbildung und über seine Schriften reichte sein Einfluss bis in die Schulstuben. Seine didaktischen und methodischen Auffassungen über naturwissenschaftlichen Unterricht fanden auch Eingang in die Gymnasien. Für Diesterweg gilt: In einer von der Technik geprägten Welt gehören naturwissenschaftliche Kenntnisse zur Allgemeinbildung, weil sie Grundlagen dieser Welt darstellen und zum Verständnis dieser Welt beitragen. Naturwissenschaften gehören zum modernen Leben, auf das die Schule vorbereiten soll, ebenso wie die modernen Sprachen. Im Geiste der Bildungstheorie betrachtet Diesterweg die Menschenbildung als höchstes Ziel. Dazu tragen auch die Naturwissenschaften ein spezifisches Element bei: die naturwissenschaftliche Methode. Dieser pädagogische Hintergrund im Zusammenhang mit der naturwissenschaftlichen Methode besitzt auch heutzutage noch Relevanz. V. Hentigs (1966, 30) führte dazu aus: „Die Wissenschaft erzieht durch ihre Methode ... zur Selbstkritik und Objektivität, zu Geduld und Initiative, zu Kommunikation und Toleranz, zur Liberalität und Humanität, zum Aushalten der grundsätzlichen Offenheit des Systems und zu ständigem Weiterstreben“.

Aufschwung des naturwissenschaft lichen Unterrichts zu Beginn des 20. Jahrhunderts

Vorläufiges Fazit: In einer wechselvollen Geschichte konnte sich der naturwissenschaftliche Unterricht bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts in allen Schularten etablieren. Dafür waren gesellschaftlich zivilisatorische Entwicklungen maßgebend, wozu auch der Aufschwung der Naturwissenschaften an den Universitäten und in der Industrie zu zählen ist. Nicht nur Professoren, wie die Physiker Grimsehl und Mach oder der Mathematiker Klein, sondern auch Ingenieure wie Werner v. Siemens traten am Ende des 19. und am Beginn des 20. Jahrhunderts engagiert für einen angemessenen Platz und eine Verbesserung des naturwissenschaftlichen Unterrichts ein. Um 1900 wurde die formale Bildung für wichtiger gehalten als die materiale Bildung. Letztere wird aber im Sinne einer notwendigen Voraussetzung auch für die formale Bildung für unverzichtbar gehalten.

1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301

3. Eine inhaltliche Erneuerung erfuhr die Bildungstheorie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts vor allem durch Theodor Litt und Wolfgang Klafki. Theodor Litt (1959) leistete einen spezifischen, auch heute noch relevanten Beitrag zur Begründung des naturwissenschaftlichen Unterrichts. Philosophisch fundierter als Kerschensteiner setzte sich Litt in den fünfziger Jahren mit „Naturwissenschaften und Menschenbildung“ auseinander. Die von Litt herausgearbeitete Antinomie besagt, dass die naturwissenschaftliche Methode wegen der Forderung nach Objektivität notwendigerweise das Subjekt zurückdrängt, ja ausschließt (s. Litt 1959, 56). Die Strenge der naturwissenschaftlichen Methode führt „weitab vom Menschsein“ (Litt 1959, 113). Andererseits kann die naturwissenschaftliche Methode eine existentielle Bedeutung erlangen: Bei der Suche nach Wahrheit wird der Mensch verwandelt. Die naturwissenschaftliche Methode wird zu einer „mein ganzes Menschentum umgestaltenden Macht“ (Litt 1959, 63). Zur naturwissenschaftlichen Bildung und damit auch zum Physikunterricht gehört wesensmäßig, diese Antinomie zu erkennen. Dazu „bedarf es nun einmal jener Reflexion, die aus dem logischen Kreis heraustritt und sie von höherem Standort aus als Glied des übergreifenden Lebensganzen ins Auge fasst“ (Litt 1959, 93). Gemeint ist die philosophische Reflexion der Naturwissenschaften, im speziellen die erkenntnis- und wissenschaftstheoretische Reflexion der Physik (s. Kircher 1995, 25 ff.). Für die wohl schon von Stephani vorgedachte Lösung, die von der Einheit der formalen Bildung und der materialen Bildung ausgeht, hat Klafki den Begriff „kategoriale Bildung“ geprägt: „ ‚Bildung‘ ist immer ein Ganzes, nicht nur die Zusammenfügung von ‚Teilbildungen‘ “ (Klafki 1963, 38) formaler und materialer Art. Kategoriale Bildung erfolgt durch „doppelseitige Erschließung“ von allgemeinen das Fach erhellenden Inhalten, an denen die Schüler allgemeine Einsichten, Erlebnisse, Erfahrungen gewinnen ( Klafki 1963, 43 f.). Diese „allgemeinen das Fach erhellenden Inhalte“ erfordern eine sorgfältige Auswahl und eine gründliche Behandlung der beispielhaften Unterrichtsinhalte. Man spricht von „exemplarischem Lernen“ und von „exemplarischem Unterricht“ (s. 4.2). Die allgemeinen Einsichten, Erlebnisse und Erfahrungen gewinnen die Schüler durch „genetischen Unterricht“. Beide Fachausdrücke wurden von Martin Wagenschein in der Physikdidaktik bekannt gemacht und neu interpretiert (s. Wagenschein 1968). Wagenscheins Werk kann als physikdidaktische Interpretation der kategorialen Bildung aufgefasst werden.

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Theodor Litt (1880 – 1967): Ambivalenz der naturwissenschaftlichen Methode

Notwendig: philosophische Reflexion der Naturwissenschaften

Wolfgang Klafki „kategoriale“ Bildung

Martin Wagenschein (1896 – 1988): physikdidaktische Interpretation der Bildungstheorie

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Grenzen des klassischen Bildungsbegriffs

1 Warum Physikunterricht? 4. Reicht der klassische Bildungsbegriff aus, um Kinder und Jugendliche für die Lösung ihrer gegenwärtigen und zukünftigen Probleme auszubilden und zu erziehen? Für Klafki (19965, 39) ist eine zu optimistische Geschichtsphilosophie der Hintergrund für die Grenzen des klassischen Bildungsbegriffs. Diese Philosophie, mit ihrem Credo von einer Geschichte des Fortschritts der Humanität, führt zu einer zu optimistischen Interpretation der Geschichte und zu einem zu optimistischen Menschenbild. Aus der Sicht Klafkis (19965, 46) charakterisieren drei Momente den Verfall der klassischen Bildungsidee: •

Bildung wird als ihrem Wesen nach unpolitisch interpretiert.

•

v. Humboldts Forderung nach Individualisierung wird vernachlässigt; stattdessen werden für die Schulfächer verbindliche Lehrpläne vorgeschrieben.

•

Bildung wird zu einem Privileg der davon profitierenden Gesellschaftsschicht.

Die Kritik der beiden ersten Momente trifft auch auf die Praxis des naturwissenschaftlichen Unterrichts zu: Viele Naturwissenschaftslehrer tun sich immer noch schwer, politikträchtige und gesellschaftlich umstrittene Themen wie „Kernkraftwerke“ (Mikelskis 1977) im Unterricht zu behandeln. Auch die spezifischen Chancen des Physikunterrichts, die Idee der Individualisierung durch Schülerversuche, durch forschenden Unterricht oder Projekte zu realisieren sind in der Bundesrepublik immer noch die Ausnahme (s. Duit & Tesch 2005). Als Reaktionen auf diese Kritikpunkte können die Lehrpläne der 1990er-Jahre betrachtet werden. Durch „Freiräume“ sollen Projekte, „offener“ Unterricht, u.a. Schülerversuche gefördert werden. Im Physikunterricht sollen aus der Sicht der Schüler und der Gesellschaft interessante und bedeutsame Inhalte und Arbeitsweisen thematisiert und gelernt werden. Ob sich dadurch auch die Schulpraxis verbessert, liegt vor allem an der Lehrerbildung und daher auch an Ihnen, den künftigen Physiklehrerinnen und Physiklehrern. Zeitgemäße Allgemeinbildung durch epochaltypische Schlüsselprobleme

Klafki (19965, 56 ff.) hat mit der Formulierung von „epochaltypischen Schlüsselproblemen“ konkrete inhaltliche Hinweise für eine zeitgemäße Allgemeinbildung gegeben: Er betrachtet die Friedensfrage, die Umweltfrage, die gesellschaftlich produzierte Ungleichheit in den Gesellschaften, die Gefahren und Möglichkeiten der neuen technischen Steuerungs-, Informations- und Kommunikationsmedien und die zwischenmenschlichen Beziehungen als Schlüsselprobleme unserer Zeit. Aus physikdidaktischer Perspektive bieten diese

1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387

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„Schlüsselprobleme“, etwa bei den Umweltproblemen, der Friedensfrage (s. z. B. Mikelskis 1986; Westphal 1992) und insbesondere bei den Möglichkeiten und Problemen der neuen Informations- und Kommunikationsmedien einen modernen, pädagogisch begründeten Physikunterricht zu etablieren. In der „Laborschule Bielefeld“ zeigt v. Hentig in beeindruckender Weise pädagogische Alternativen zu den Fehlentwicklungen des deutschen Bildungswesens. Aber dies geschieht immer noch im Horizont v. Humboldts Ideen (v. Hentig 1996, 182). Der naturwissenschaftliche Unterricht scheint auch in v. Hentigs (19943; 1996) Konzeptionen keine bedeutsame Rolle zu spielen. Eine zeitgemäße Allgemeinbildung erfordert nicht den nur nach rückwärts gewandten, eher kontemplativen Menschen, sondern auch einen an Gegenwart und Zukunft orientierten mündigen Bürger, der kritisch, sachkompetent, selbstbewusst und solidarisch denkt und handelt (Klafki 19965). Dazu kann und soll der Physikunterricht inhaltlich und methodisch beitragen.

Mündiger Bürger denkt und handelt kritisch, sachkompetent, selbstbewusst und solidarisch

Trotz der bedeutsamen Erneuerungen der Bildungstheorie durch v. Hentig (1996), Klafki (1963; 19965) und Litt (1959) bleibt die Bildungstheorie weiterhin auf Distanz zur Lebenswelt und einer auch kritisch zu betrachtenden „Erlebnisgesellschaft“ (Schulze 1993).

1.1.2 Pragmatische Schultheorie und naturwissenschaftlicher Unterricht „Logisch und pädagogisch gesehen ist die Naturwissenschaft die vollkommenste Erkenntnis, die letzte erreichbare Stufe des Erkennens“ (Dewey 19643, 289). 1. Der Ausdruck „pragmatische Schultheorie“ ist bisher in der Pädagogik nicht in der Weise erörtert und dadurch festgelegt wie der Ausdruck „Bildungstheorie“; er ist auch nicht in pädagogischen Lexika aufgeführt. Die Bezeichnung bezieht sich vor allem auf das pädagogische Werk Deweys, das in der Auseinandersetzung mit dem philosophischen Pragmatismus eines Peirce (1839 – 1914) und James (1842 – 1910) entstanden ist. Deweys Auffassungen über Erziehung haben das Schulwesen in den USA mindestens in ähnlich intensiver Weise beeinflusst, wie die Bildungstheorie das deutsche Schulwesen. Man kann die pragmatische Schultheorie als Kind Amerikas betrachten, die in wesentlichen Zügen von dem Pädagogen und Philosophen John Dewey (1859 – 1952) formuliert wurde. Sie wurzelt im philosophischen Pragma-

John Dewey (1859 – 1952)

Ursprünge des philosophischen Pragmatismus im 19. Jahrhundert

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1 Warum Physikunterricht? tismus, der gegen Ende des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts u. a. als Gegenentwurf zu klassischen europäischen Philosophien (Idealismus und Humanismus) formuliert wurde. Die pragmatische Schultheorie richtet sich gegen Theorie und Praxis der Bildungstheorie im alten Europa., von der Dewey in geschichtlicher Retrospektive mit Recht sagt, dass sie im 19. Jahrhundert dem Erhalt einer „Mußeklasse“ diente. Dewey setzt sich auch mit dem Kern der Bildungstheorie auseinander, dem „Humanismus“. Dabei kommt er zu einer völlig anderen Einschätzung der Bedeutung der Naturwissenschaften und des naturwissenschaftlichen Unterrichts als die Bildungstheorie. 2. Grundideen des Pragmatismus:

Was sich im Alltag bewährt, ist gut

Was und wer sich im konkreten Leben, im Alltag bewährt, ist gut. Der lebenswichtige Vorteil („vital benefit“), den Pflanzen und Tiere in ihrem Überlebenskampf nutzen, steht auch den Menschen zu. Der erfolgreiche Mensch ist aus biologischer Sicht der bessere. Die Versuchung ist groß, diese Sicht zu verallgemeinern und auf die Moral auszudehnen.

Pragmatismus ist zweckgerichtet, fortschrittsgläubig an der Zukunft orientiert, aber oberflächlich

Wie der Name sagt, ist die Grundtendenz dieser Philosophie zweckgerichtet. Sie ist optimistisch, fortschrittsgläubig an der Zukunft orientiert, aber aus der Sicht der europäischen Tradition oberflächlich. Die Maximen sind: Was funktioniert, was zahlt sich aus, was passt am besten? Konsequenterweise führt die pragmatische Grundeinstellung auch zur Relativierung traditioneller Werte wie „Wahrheit“. Für sie gilt (in verkürzter Form): „Wahr ist, was nützt.“ Mit solchen Auffassungen wird der Pragmatismus anfällig gegen Kritik.

Deweys höchster Wert ist das Leben Erziehung ist das Werkzeug zur sozialen Fortdauer des Lebens

3. Dewey hat das Kernproblem dieses älteren Pragmatismus etwa eines James erkannt, nämlich die Notwendigkeit auch traditioneller Ideale und Werte. Deweys höchster Wert ist „das Leben“; diese Auffassung hat natürlich Konsequenzen für seine Pädagogik. „ ‚Leben‘ bedeutet Sitten, Einrichtungen, Glaubensanschauungen, Siege und Niederlagen, Erholungen und Beschäftigungen“ (Dewey 19643, 16). Es besagt auch Selbsterneuerung, so dass die Erziehung als Prozess ständiger Erneuerung gemeinsamer Erfahrungen für das Leben gesellschaftlicher Gruppen unabdingbar ist. Der Fortbestand des Lebens wird also durch Erneuerung und Erfahrung gesichert. Die Erfahrung wird über soziale Gruppen weitergegeben. Der Erziehung kommt hier ein fundamentaler Stellenwert zu, denn sie dient zur Erhaltung und Erneuerung des Lebens. Wird diese Grundlage akzeptiert, so ist die Frage nahe liegend: Welche Inhalte, welche Methoden tragen vorrangig zur Erhaltung und Erneuerung des menschlichen

1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473

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„Lebens“ bei? Wir werden sehen, dass aus dieser pragmatischen Perspektive die Naturwissenschaften nicht nur gute, sondern die besten „Karten“ haben. 4. Man kann die erzieherische Bedeutung der Naturwissenschaften, Dewey folgend, so begründen: Das für die Naturwissenschaften, insbesondere für die Physik typische Ergebnis ist eine Theorie in mathematischer Gestalt. In dieser symbolischen Darstellung wird gegenwärtige und künftige Erfahrung in „nicht zu überbietender Klarheit“ repräsentiert; es ist die vollkommene Form kondensierter Erfahrung. Diese ist unabhängig von persönlicher Erfahrung und wird allen zur Verfügung gestellt. Dewey fasst dies als immanenten demokratischen Aspekt der Naturwissenschaften auf.

Ein demokratischer Aspekt der Naturwissenschaften

Ein weiteres Argument Deweys: Indem die äußeren Eigenschaften der Dinge in Symbolen eingefangen werden, entlasten diese Symbole das Lernen und das Behalten. Außerdem ermöglichen die Symbole zu den Problemen und Zwecken zurückzukehren, denen die Symbole angepasst wurden. Diese Fähigkeit, die abstrakten Darstellungen der Naturwissenschaften zu interpretieren, die Symbolsprache anzuwenden und zu beherrschen, ist angesichts der Flut naturwissenschaftlicher Fakten lernökonomisch. In der Sprache Deweys ist dies eine das „Leben“ erhaltende Fähigkeit, ein lebenswichtiger Vorteil.

Symbole entlasten das Lernen und das Behalten

Diese Lernökonomie der naturwissenschaftlichen Darstellungen macht „die Befreiung des Geistes von der Hingabe an die gewohnheitsmäßigen Zwecke und Ziele“ und „die geordnete Verfolgung neuer Ziele möglich“ (S. 285) und wird damit zur treibenden Kraft des Fortschritts. Die Arbeitserleichterungen in Beruf und Haushalt führen nicht nur zur Reduktion körperlicher Anstrengungen, sondern schaffen auch freie Zeit, Freizeit für alle. Durch dieses neue gesellschaftliche Phänomen werden neue Bedürfnisse geschaffen, die nach Befriedigung verlangen. Man denke etwa an die neuen Möglichkeiten große Entfernungen in kurzer Zeit zurückzulegen, mit dem Computer und anderen Medien mit weit entfernten Menschen zu kommunizieren, sich über jedes Problem, über jedes Ereignis der Erde zu informieren, wenn das Problem, das Ereignis genügend Relevanz besitzen oder zu besitzen scheinen. Die durch Naturwissenschaften hervorgerufenen Möglichkeiten des Handelns haben wirtschaftliche und soziale Folgen für das Individuum und die Gesellschaft. Sie führten zu globalen Abhängigkeiten von Interessen und Zwängen, des Wohn-, Erholungs- und Vergnügungsorts, des Arbeitsplatzes.

Lernökonomie der naturwissenschaftlichen Darstellungen: Treibende Kraft des Fortschritts

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Naturwissenschaften haben wirtschaftliche und soziale Folgen für das Individuum und die Gesellschaft Dewey: • menschliche Gewohnheiten mit der Methode der Naturwissenschaften „durchtränken“ • Menschen von der „Herrschaft der Faustregeln“ befreien

Werden Geisteswissenschaften unterschätzt?

1 Warum Physikunterricht? Durch die neuen technischen Möglichkeiten werden nicht nur das Handeln, sondern auch das Denken, Wollen und Fühlen der Menschen geprägt. Der Gedanke einer dauernden Verbesserung des Zustandes der Menschheit, – deren Fortschrittsglaube, fällt zeitlich mit dem Fortschritt den Naturwissenschaften zusammen. Auch wenn heutzutage die Fortschrittseuphorie da und dort einen Dämpfer bekommen hat, bleibt festzuhalten, dass die durch Technik und Naturwissenschaften hervorgerufenen Änderungen, die Umwelt und das ‚Leben‘ auf unserem Planeten nachhaltig beeinflusst werden. Diese Beeinflussung ist auch von der Einsicht einerseits oder der Ignoranz andererseits in die Naturvorgänge abhängig, d. h. vom Verständnis der Naturwissenschaften. Für Dewey besteht das Problem der ‚pädagogischen Verwertung‘ darin, die menschlichen Gewohnheiten mit der Methode der Naturwissenschaften zu „durchtränken“ und die Menschen von der „Herrschaft der Faustregeln“ und der durch sie geschaffenen Gewohnheiten zu befreien. 5. Hat sich Dewey in seiner Bewunderung für die Naturwissenschaften und für die naturwissenschaftlichen Methoden geirrt? Die Verabsolutierung der naturwissenschaftlichen Methode ist leicht zu kritisieren: Was nützt die abstrakte physikalische Theorie bei Entscheidungen über Einzelfälle und Probleme des täglichen Lebens in politischen, gesellschaftlichen, ästhetischen, musischen Angelegenheiten? Bei der Beurteilung der Qualität eines literarischen Textes, der Ausdruckskraft eines Gemäldes, bei Abstimmungen in Wahlen, bei der Auswahl von Kleidern besitzen abstraktes Wissen und elaborierte wissenschaftliche Methoden so gut wie keine Relevanz. Urteilsvermögen, persönliche Einstellungen und Werthaltungen sind die Basis derartiger Problemlösungen. Mit der Überschätzung der Naturwissenschaften und der naturwissenschaftlichen Methode geht eine Unterschätzung der geisteswissenschaftlichen Methode und deren Medium, der Sprache, einher. Zweifellos haben Technik und Naturwissenschaften die Welt verändert, aber dies gilt auch für die Sprache eines Jesus von Nazareth und seiner Apostel, eines Propheten Mohammed, die Reden eines Cicero, die demagogischen Appelle eines Hitler und Goebbels.

1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559

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Ein weiterer Kritikpunkt ist Deweys Begriff „Fortschritt“. Er ist zu eng mit technischem Fortschritt verknüpft, so dass er nicht in der Lage ist, Auswüchse der Technik, unsinniges Konsumverhalten, Gefährdungen durch die Technik zu kritisieren. Ist die Möglichkeit, fünfzig Fernsehprogramme zu empfangen ein Fortschritt? Ist diese Programmvielfalt nötig, um ein sinnvolles, gewissermaßen notwendiges Informationsbedürfnis zu stillen? Sind etwa rechtsradikale oder sadistische Informationen im Internet ein Fortschritt? Wir kommen zum Kern der Kritik nicht nur an Deweys Begriff „Fortschritt“, sondern am (philosophischen) Pragmatismus überhaupt. Der Pragmatismus gefällt sich in der Attitüde, ohne Werte außer der Erneuerung des „Lebens“ auszukommen: „Vom Wachstum wird angenommen, dass es ein Ziel haben müsse, während es in Wirklichkeit eines ist“ (Dewey 19643, 76). Aber eine Philosophie, die sich der Erhaltung und Erneuerung des „Lebens“ verpflichtet, kommt ohne Werte über das menschliche Zusammenleben und das individuelle Verhalten nicht aus. Man benötigt Leitbilder, leitende Ideen für das Leben und auch für die wissenschaftliche Arbeit, ethische Normen. Diese Leitbilder bedeuten nach wie vor nicht nur Kosten-Nutzen-Rechnungen im Leben und in der Wissenschaft. Zumindest in der europäischen Denktradition gibt es ein Moment, das faustische Motiv, auf das die Naturwissenschaft nicht verzichten kann: Sehen, was die Welt im Innersten zusammenhält.

Leitbilder für die Gesellschaft und für die Wissenschaft benötigen ethische Grundlagen. Diese können nicht aus den Naturwissenschaften kommen

Tatsächlich waren die großen naturwissenschaftlichen Revolutionen durch Newton, Maxwell, Einstein und die Schöpfer der Quantentheorie vorrangig nicht pragmatisch motiviert waren, sondern von der Suche nach letzten Wahrheiten über die Realität. Es ist nicht ohne Ironie, dass gerade die Naturwissenschaften, auf die Dewey im Hinblick auf den Fortschritt allein setzt, ein Leitbild verfolgen, das aus pragmatischer Sicht nichts mit der Erneuerung des Lebens zu tun hat, die „Suche nach Wahrheit“ (s. Kircher 1995, 48 ff.). Wer dieses wichtige Motiv naturwissenschaftlicher Forschung negiert, verkennt die Naturwissenschaften, trotz des Anscheins, dass heutzutage pragmatische Gesichtspunkte in Forschungslaboren der Industrie und an Universitäten dominieren.

Wichtiges Motiv der naturwissenschaftlichen Forschung: Suche nach Wahrheiten über die Realität

6. In neuerer Zeit wurden in den USA angesichts unbefriedigender Ergebnisse des naturwissenschaftlichen Unterrichts neue Curricula „Science – Technology – Society“ (STS) und neue Vorschläge über naturwissenschaftliche Grundbildung („scientific literacy“) publiziert (u.a.) „Project 2061: Science for all Americans“ (AAAS 1989) „Benchmarks for science literacy“ (AAAS 1993), ohne dabei

Methodische Prinzipien

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1 Warum Physikunterricht? Deweys Grundideen zu verlassen (s. de Boer 2000). Das gilt auch für Shamos (1995), der aber den naturwissenschaftlichen Unterricht in den USA und damit auch „Scientific literacy“ kritisiert: Zwischen den derzeit formulierten Ansprüchen an naturwissenschaftlicher Grundbildung und der Schulwirklichkeit klafft nicht nur in den USA eine große Lücke.

Genügt „naturwissenschaftliches Bewusstsein“ (scientific awarerness)?

Viele Schülerinnen und Schüler werden insbesondere von der Physik abgeschreckt und auch dauerhaft frustriert, (u.a.) weil ihre erzielten Ergebnisse im Physikunterricht schlecht sind. Das kann ursächlich auch durch zu hohe Ansprüche, unerreichbare Ziele bedingt sein. Shamos (1995) hält ein bescheideneres Ziel für notwendig; anstatt „naturwissenschaftliche Grundbildung für alle“, soll „naturwissenschaftliches Bewusstsein“ („scientific awareness“) als Leitidee genügen, vergleichbar mit dem „Orientierungswissen“, das Muckenfuß (1995) fordert. „Scientific awareness“ bedeutet bei Shamos ein eher oberflächliches Verständnis der naturwissenschaftlichen Begriffe, Theorien und Methoden. Shamos Vorschläge für ein naturwissenschaftliches Curriculum enthalten allgemeine Fragen z.B. über Nutzen und Risiken der Naturwissenschaften (s. 1.3), über „Tatsachen“ und „Wahrheiten“ der Naturwissenschaften (s. Shamos 1995, 223 f.), d.h. über die „Natur der Naturwissenschaften“ lernen. Dieser inhaltliche Aspekt wird in Abschnitt 1.2.2 näher beschrieben. 7. In der Bundesrepublik hat der wichtigste Berufsverband für Mathematik- und Naturwissenschaftslehrer (MNU) seine früheren, vor allem auf fachliche Ziele fokussierten Auffassungen über den Physikunterricht revidiert und ergänzt MNU (2001): In den „6 Kernelemente“ spiegelt sich die aktuelle internationale Diskussion um naturwissenschaftliche Grundbildung wieder. Diese Vorschläge für künftige Lehrplanentwicklungen sind in ihrer Grundkonzeption sinnvoll. Sie können auch wirksam werden, weil Mitglieder von Lehrplankommissionen aller Bundesländer daran mitgearbeitet haben. Es sind noch gewisse Unklarheiten und Defizite festzustellen. So ist meines Erachtens die erkenntnistheoretische, wissenschaftstheoretische und die technikethische Reflexion der physikalischen Methoden und den daraus entstehenden Resultaten und Produkten noch nicht hinreichend im Blickpunkt der Verfasser. Die in (MNU 2001) noch wenig differenzierten Anforderungen an die Schüler sind in der Zwischenzeit durch bundeseinheitliche Standards festgelegt: allgemeine fachliche Inhalte des Physikunterrichts sogenannte „Basiskonzepte“ (auch als „Leitideen“ bezeichnet), „Kompetenzbereiche“ und „Anforderungsbereiche“ (s. 2.4.2).

1.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen – ein Rückblick 603 604 605 606 607 608 609 610 611 612 613 614 615 616 617 618 619 620 621 622 623 624 625 626 627 628 629 630 631 632 633 634 635 636 637 638 639 640 641 642 643 644 645

1.1.3 Zusammenfassende Bemerkungen 1. Der philosophische Pragmatismus ist eine Abbildung der neuzeitlichen, von Naturwissenschaften geprägten Welt. Bei Dewey, der den Ausdruck „Instrumentalismus“ verwendet, um inhaltliche Differenzen zum Pragmatismus anzuzeigen, ist der Einzelne verpflichtend in die Gesellschaft eingebunden. Das Wohlergehen einer demokratischen Gesellschaft ist dem Glück des Einzelnen übergeordnet; die demokratische Verfassung räumt dem Individuum weitgehende Freiheiten ein. Die Erhaltung und Erneuerung des „Lebens“ ist der Sinn des Lebens. Mit dem Wachstum, auch dem geistigen Wachstum, konzentriert sich Dewey auf die Kindheit und Jugend, in der die geistigen Fähigkeiten zur Erneuerung ausgebildet werden. Bei diesem theoretischen Hintergrund nimmt der naturwissenschaftliche Unterricht in den USA im beginnenden 20. Jahrhundert einen großen Aufschwung, quantitativ durch die Stundenzahl und qualitativ z. B. durch die Einführung von Schülerexperimenten. Es werden technische Fragestellungen im Unterricht berücksichtigt. 2. Durch die skizzierte Anfälligkeit des philosophischen Pragmatismus gegen Kritik findet die pragmatische Schultheorie im deutschen Sprachraum nur geringe Resonanz. Erst in den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts, nach dem SputnikSchock, wurde eine Intensivierung des naturwissenschaftlichen Unterrichts auch staatlicherseits nach amerikanischem Vorbild gefördert. Theodor Wilhelm (1969) hat versucht, eine deutsche Version der „Wissenschaftsschule“ zu formulieren. Auf diesem gesellschaftlichen und pädagogischen Hintergrund wurden in pädagogischen Forschungs- und Fortbildungsinstituten der Länder (u. a.) naturwissenschaftliche Curricula entwickelt. Eine überregionale Bedeutung hatten die am Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften (IPN) entwickelten Unterrichtseinheiten für den Physik-, Chemieund Biologieunterricht. Diese Lernmaterialien sind nicht an der Fachsystematik orientiert, sondern an der Relevanz für das Fach, für die Gesellschaft, für die Umwelt, für die Schüler (s. Häußler & Lauterbach 1976). Der Intention nach sollten diese Curricula den Schülern in der Gegenwart nützen und sie auf die Zukunft vorbereiten. Sie haben insgesamt nur eine geringe Verbreitung in der Schulpraxis erfahren. 3. Für eine Begründung des naturwissenschaftlichen Unterrichts wird versucht, die Vitalität und offensive Argumentation des Pragmatismus mit dem philosophisch-pädagogischen Hintergrund der von Litt, v. Hentig und Klafki erneuerten Bildungstheorie zu verbinden (s. 1.5).

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30 646 647 648 649 650 651 652 653 654 655 656 657 658 659 660 661 662 663 664 665 666 667 668 669 670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 683 684 685 686 687 688

1 Warum Physikunterricht?

1.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts „Was ist die Wahrheit der Physik?“ fragt v. Weizsäcker (1988, 15) einleitend in seinem Buch „Aufbau der Physik“. Es wird die Entwicklung, der Aufbau und der philosophische Status der Physik skizziert. Die in der „Einführung“ begonnene Diskussion über die Physik wird wieder aufgegriffen und vertieft. Bei der Beschreibung des Aufbaus der Physik orientieren wir uns an Einstein & Infeld (1950), Lüscher & Jodl (1971) und v. Weizsäcker (1988). Bei erkenntnistheoretischen Fragen, z. B. „Was ist die Wahrheit der Physik“, wird von Auffassungen des (philosophischen) Realismus ausgegangen (s. Ludwig 1978; Kircher 1995; Mikelskis-Seifert 2002; Leisner 2005; Günther 2006).

1.2.1 Zur Entwicklung und zum Aufbau der Physik 1. Wir betrachten den Aufbau der Physik vorwiegend aus der Sicht der Physik als einer eigenständigen Naturwissenschaft. Ihre Eigenständigkeit gewann die Physik um 1600 mit Galilei und Kepler als ersten wichtigen Repräsentanten der neuzeitlichen Physik. Die aristotelische Physik wird im 17. Jahrhundert abgelöst durch die „neuzeitliche“ Physik

Zu diesem Zeitpunkt war die vorgängige aristotelische Physik zweitausend Jahre alt. Sie war eingebettet in eine umfassende Kosmologie, in der Götter und andere mythische Wesen die Welt und damit die Natur beherrschten. Die Physik war ein Teil der aristotelischen Philosophie. Diese ist ein so geschlossenes, eng zusammenhängendes Ganzes, dass ein einzelner Bereich wie die Physik kaum getrennt behandelt werden kann (s. Dijksterhuis 1983, 19). Aber man kann die aristotelische Physik insofern mit der neuen Physik vergleichen, als sie ebenfalls „empirisch“ war: Das Wissen über die „Welt“ entstammt in letzter Instanz sinnlichen Eindrücken und Erfahrungen. Und wir fügen hinzu: Diese Eindrücke enthalten auch Spuren der Realität. Aus diesem Grunde ist die Physik nicht nur „gemacht“ und wir finden in der Physik nicht „nur unsere eigene Spur“, wie Eddington und Heisenberg meinen, aber – unbezweifelbar – auch „unsere Spur“, z. B. in Form einer besonderen „Versprachlichung“. Die heute als „klassisch“ bezeichnete neuzeitliche Physik entstand vor allem durch eine neue theoretische Zugriffsweise und durch eine neuartige Auseinandersetzung mit der Realität, durch das quantitative Experiment. Dieses systematische Vorgehen schuf die Voraussetzung dafür, die in den experimentellen Daten enthaltenen Spuren der

1.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts 689 690 691 692 693 694 695 696 697 698 699 700 701 702 703 704 705 706 707 708 709 710 711 712 713 714 715 716 717 718 719 720 721 722 723 724 725 726 727 728 729 730 731

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Realität in mathematischen Gleichungen darzustellen. Einstein war fasziniert von dieser Möglichkeit, die Realität in „einfache“ mathematische Gleichungen zu fassen. Es war für ihn ein wesentliches Ziel der Physik. Aus der qualitativen Physik des Aristoteles wird die quantitative Physik der Neuzeit (s. dazu Hund 1972). Letztere befasste sich zunächst vorwiegend mit raum-zeitlichen Änderungen von Gegenständen. Die entsprechenden physikalischen Gesetze (z. B. das Fallgesetz) ermöglichen damit nicht nur genaue Beschreibungen der Gegenwart, sondern auch der Vergangenheit und der Zukunft. Diese prinzipiellen Möglichkeiten der neuen Physik führten schließlich zu einem Physikalismus, vor allem in Gestalt eines mechanistischen, materialistischen Weltbildes, zu übertriebenen Hoffnungen und Erwartungen auch außerhalb der Physik: Da alle „Dinge“ der Welt aus Materie bestehen, gehen die Veränderungen in dieser „Dingwelt“ als raum-zeitliche Änderungen von Materie vor sich, gemäß der Newtonschen Mechanik.

Physikalismus: Newtonsche Mechanik und physikalische Methoden gelten überall

Neben der Tendenz, physikalische Gesetze und Theorien in allen Bereichen des Lebens anzuwenden, wurde und wird auch versucht, die naturwissenschaftliche Methodologie auf andere Gebiete der Wissenschaft (z. B. Psychologie) und vereinzelt auch auf Literatur und Kunst (Bense 1965) auszudehnen. Man könnte meinen, dass (u. a.) Deweys Glorifizierung der naturwissenschaftlichen Methode auch in diesen Bereichen auf fruchtbaren Boden gefallen ist; sie wird Vorbild, das Ideal von Forschungsmethoden schlechthin. Dieser Ansatz ist natürlich legitim, weil Wissenschaft grundsätzlich methodologisch offen sein muss, aber man kann auch skeptisch sein, dass etwa die Quantifizierung von Kunst überzeugend gelingen kann – etwa: ein Picasso ist 10 % besser als ein Dali. 2. Die Ablösung des mechanistischen Weltbildes erfolgte nicht abrupt. Vielmehr versuchten die Physiker im 19. und beginnenden 20. Jahrhundert zunächst, die mit neuentdeckten Phänomenen aufgetretenen Ungereimtheiten und Widersprüche zur Newtonschen Physik als unwesentlich beiseite zu schieben, gar nicht zu beachten. Oder sie wählten einen anderen Ausweg: Sie unterstellten, dass nicht sorgfältig experimentiert, bewusst oder unbewusst nicht professionell gearbeitet wurde. Außenseiter wie die Ärzte Thomas Young und Robert Mayer wurden nicht ernst genommen, weil sie Newtons Auffassungen widersprachen oder ihre Ideen nicht in physikalischer Fachsprache formulierten.

Ungereimtheiten und Widersprüche der Newtonschen Physik

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1 Warum Physikunterricht? Wir können hier Einsteins und Infelds detaillierte Schilderung des Niedergangs des mechanistischen Denkens nur knapp skizzieren: Im Grunde begann der Niedergang der mechanischen Vorstellungen schon mit Voltas und Oersteds neuen elektrischen bzw. elektromagnetischen Phänomenen und der sich daraus entwickelnden Elektrizitätslehre, insbesondere dem Entwurf von Feldtheorien. Der Keim des Verfalls steckt auch in Youngs Interferenzversuchen und der Wellentheorie des Lichts (s. Einstein & Infeld 1950, 79 ff.). Selbst als Maxwell diese beiden Theorien in seiner Elektrodynamik vereinte, versuchte er nicht, die dominierenden mechanistischen Auffassungen zu überwinden. Er ließ mechanische Analogversuche zur elektromagnetischen Induktion durchführen (s. z. B. Teichmann u. a. 1981), weil er, der Zeit um 1850 entsprechend, überzeugt war, dass sich schließlich alle neuen physikalischen Entdeckungen und Theorien auf die Mechanik zurückführen und in diese integrieren ließen.

Albert Einsteins Arbeiten veränderten das physikalische Weltbild

In der Folgezeit wurde allerdings deutlich, dass die in den maxwellschen Gleichungen beschriebenen elektrischen und magnetischen Felder mehr sind als bloße Vorstellungshilfen. Als eine neue Art „Träger“ von Energie sind sie heute physikalische Realität wie die materiellen Objekte. Mit der wachsenden Bedeutung des Feldbegriffs schwindet die Bedeutung des traditionellen Substanzbegriffs in der Physik, der für die mechanistische Denkweise unerlässlich war. Diese Änderungen in der Physik sind auch auf Albert Einsteins Arbeiten zurückzuführen. Sie bewirkten die endgültige Ablösung des mechanistischen Weltbildes. Der Anlass hierfür lag allerdings nicht allein in den elektromagnetischen Phänomenen, die Einstein 1905 zur speziellen Relativitätstheorie anregten, sondern wird zu Recht auch mit Max Plancks Strahlungsformel verknüpft, die Planck im Jahre 1900 publizierte. Die Bedeutung der Formel widerspricht der klassisch-mechanistischen Auffassung: „Die Natur macht keine Sprünge“. Auf der Ebene der Atome und Moleküle gibt es keine kontinuierlichen Übergänge, sondern nur Diskontinuität, „Sprünge“. Gemäß der planckschen Formel wird Strahlungsenergie immer in Form von „Energiepaketen“ emittiert bzw. absorbiert. Diese Energiepakete (Photonen) werden durch ein elementares Wirkungsquantum h und durch die Frequenz bestimmt.

Die Naturkonstante h durchzieht die moderne Physik

Damit ist Folgendes gemeint: Die Quantentheorie wird gegenwärtig als eine Fundamentaltheorie der Physik aufgefasst. Gegenwärtig ist kein Gebiet der Physik bekannt, das nicht den Prinzipien der Quantentheorie genügt. Das bedeutet nicht, dass neue physikalische Theo-

1.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts 775 776 777 778 779 780 781 782 783 784 785 786 787 788 789 790 791 792 793 794 795 796 797 798 799 800 801 802 803 804 805 806 807 808 809 810 811 812 813 814 815 816 817

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rien mit der Quantentheorie zusammenhängen müssen; die Chaostheorie ist dafür ein aktuelles Beispiel. Neben der Quantentheorie gilt auch die allgemeine Relativitätstheorie als „fundamental“. Bisher ist es nicht gelungen, diese beiden grundlegenden Theorien der modernen Physik zu vereinen. Die „Grand Unified Theory“ (GUT) ist ein wesentliches Ziel der heutigen Physikergeneration. 3. Wie unterscheidet sich die moderne Physik von der klassischen? Im Rahmen einer Einführung in die Physikdidaktik kann man darauf nur holzschnittartig eingehen: Das methodologische Verständnis einer Messung ändert sich grundlegend durch die heisenbergsche Unschärferelation. Ungenauigkeiten bei der gleichzeitigen Messung von verbundenen (sogenannten „konjugierten“) Variablen (z. B. Ort x und Impuls p, bzw. Energie E und Zeit t) sind keine Folge der prinzipiell ungenauen Messinstrumente, sondern liegen in der Natur der physikalischen Objekte. Etwas präziser formuliert: Bei gleichzeitiger Orts- und Impulsmessung ist die Unschärfe von Δ p umso größer, je kleiner die Unschärfe von Δ x ist, das bedeutet je genauer der Ort z. B. eines Elektrons bestimmt wird. Das Produkt Δ p · Δ x (bzw. Δ E · Δ t) ist ≳ =. Die heisenbergsche Unschärferelation „ist die quantitative Formulierung für die Unverträglichkeit zweier Messungen … Es ist dies ein der klassischen Physik völlig fremder Sachverhalt“ (Theis 1985, 33 f.).

Das methodologische Verständnis einer Messung ändert sich

Während man in der klassischen Physik den Einfluss der Messapparatur auf die physikalischen Objekte im Allgemeinen vernachlässigen kann, muss in der Quantentheorie der Messapparat und das Messobjekt als „quantentheoretisches Gesamtobjekt“ behandelt werden (v. Weizsäcker 1988, 520). Feynman hebt ein weiteres Grundprinzip der Quantentheorie hervor: Die Physik hat es aufgegeben, genau vorherzusagen, was unter bestimmten Umständen mit einem physikalischen Objekt geschieht. Das einzige, was vorhergesagt werden kann, ist die Wahrscheinlichkeit verschiedener Ereignisse. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Indeterminismus. „Man muss erkennen, dass dies eine Einschränkung unseres früheren Ideals, die Natur zu verstehen, ist“ (Feynman, 1971, 1 – 14). Die Quantentheorie zielt nicht mehr auf die Beschreibung von einzelnen Objekten in Raum und Zeit, nicht auf die Beschaffenheit und die Eigenschaften dieser Objekte. Stattdessen wird die Quantentheorie charakterisiert durch Gesetze über die Veränderung von Wahr-

Indeterminismus

Quantentheorie: Gesetze über die Veränderung von Wahrscheinlichkeiten in der Zeit

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1 Warum Physikunterricht? scheinlichkeiten in der Zeit, – Gesetze, die für große Ansammlungen von physikalischen Objekten gelten. „Erst nach dieser grundlegenden Umstellung der Physik war es möglich, eine angemessene Erklärung für den offensichtlich diskontinuierlichen und statistischen Charakter von Vorgängen aus dem Reich der Phänomene zu finden, bei denen die Elementarquanten der Materie und der Strahlung ihre Existenz dokumentieren“ (Einstein & Infeld 1950, 314 f.)

Die philosophische Diskussion ist noch nicht beendet

Während die Anwendung des mathematischen Formalismus der Quantentheorie längst geklärt und diese Theorie Grundlage für die Entwicklung technischer Geräte wie den Laser geworden ist, ist die philosophische Diskussion um die Interpretation noch nicht beendet. So sind zum Beispiel v. Weizsäckers (1988) Überlegungen zu einer „Physik jenseits der Quantentheorie“ umstritten.

Relativitätstheorie und Quantentheorie haben nicht nur die Physik verändert, sondern auch die Philosophie der Wissenschaften und das heutige Weltbild der technischen Zivilisationen

4. Was hat der Aufbau der Physik mit dem Legitimationsproblem des Physikunterrichts zu tun? Relativitätstheorie und Quantentheorie haben nicht nur die Physik verändert, sondern auch die Philosophie der Wissenschaften und das heutige Weltbild der technischen Zivilisation mitbestimmt. Das ist aber nicht so sehr dem Einfluss der neuen Methodologie zuzuschreiben, die gewissermaßen über den klassischen Objekten und der klassischen Physik angesiedelt ist (s. Einstein & Infeld 1950, 312 f.), sondern dies ist das Resultat dieser beiden fundamentalen Theorien und ihrer Wirkung weit über die Physik hinaus. Sie haben zunächst die Physiker fasziniert, dann aber auch die Astronomen, Chemiker, Philosophen, Schriftsteller und Künstler. Besonders Einsteins wissenschaftlicher Ruhm hat auch die breite Bevölkerung erreicht; er galt und gilt als das naturwissenschaftliche Genie des 20. Jahrhunderts schlechthin. Relativitätstheorie und Quantentheorie sind nicht irgendwelche Kulturgüter dieses Jahrhunderts. Für Feynman (1971) sind sie „ein wesentlicher Teil der wahren Kultur in der modernen Zeit“. Man möchte dies ausführen: Es sind dies nicht die zeitgenössische Musik, bildende Kunst, Literatur, sondern diese überragenden menschlichen Produkte, die in der Auseinandersetzung mit der Realität von den Naturwissenschaften im 20. Jahrhundert geschaffen wurden. Da Maßstäbe nicht vorhanden sind, gehen wir von einer Gleichwertigkeit von Wissenschaft und Kunst aus. Die Entwicklung der Physik bis in die Neuzeit wurde hier skizziert, um physikalische Theorien als Kulturgüter höchsten Ranges zu deklarieren. Es wurde auch ein Grundmotiv der Physiker transparent: Maxwells, Plancks, Einsteins, v. Weizsäckers und Feynmans Anliegen war nicht, die Natur zu beherrschen, wie dies Bacon (1620) zu Beginn der neuzeitlichen Physik forderte, sondern immer tiefere Wahrheiten in

1.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts 861 862 863 864 865 866 867 868 869 870 871 872 873 874 875 876 877 878 879 880 881 882 883 884 885 886 887 888 889 890 891 892 893 894 895 896 897 898 899 900 901 902 903

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der Natur zu suchen. Das faustische Motiv der zweckfreien „reinen“ Wissenschaft: Sehen, was die Welt im Innersten zusammenhält, durchzieht die abendländische Kultur seit ihren griechischen Anfängen. Einstein war klar, dass dies keine endgültigen Wahrheiten sein können: „In der Naturwissenschaft gibt es keine Theorien von ewiger Gültigkeit“ (Einstein & Infeld 1950, 87). Und an anderer Stelle: „Unser Wissen erscheint im Vergleich zu dem der Physiker des 19. Jahrhunderts beträchtlich erweitert und vertieft, doch gilt für unsere Zweifel und Schwierigkeiten das Gleiche“ (Einstein & Infeld 1950, 136).

Einstein: In der Naturwissenschaft gibt es keine Theorien von ewiger Gültigkeit

Als Vergleich zur Arbeit des Physikers kann die Schwerstarbeit des Sisyphos aus der griechischen Mythologie herangezogen werden, die niemals endet. Aber wie Sisyphos trotzdem ein glücklicher Mensch ist (Camus 1959), können auch Physiker glückliche Menschen sein.

Das Unternehmen Naturwissenschaft ist in seinem Kern zutiefst human.

Die Biografien erfolgreicher Physiker wie Einstein und Heisenberg, zeigen dies: Die „Wahrheit der Physik“ ist ein unendlicher, schwieriger Weg, der nur zu vorläufigen, nicht zu endgültigen Resultaten führt. Man kann diese naturwissenschaftliche Suche nach Wahrheit mit „Humanismus als Methode“ (v. Hentig, 1966) bezeichnen.

Humanismus als Methode

1.2.2 Zusammenfassung 1. Die neuzeitliche Physik hat, wenn nicht den entscheidenden, so doch einen beträchtlichen Einfluss auf das jeweilige Weltbild in einer bestimmten Zeit. 2. Die Methodologie und die Theorien der modernen Physik führen weg von einem mechanistischen Weltbild, das determiniert ist von der klassischen Mechanik. In der Quantentheorie werden naturgegebene Grenzen der menschlichen Erkenntnis deutlich. 3. Die Entwicklung der Physik folgt keinem festgelegten „Regelwerk“. Daher ist die physikalische Begriffs- und Theoriebildung ein kreativer Vorgang ist. Das Eindringen in submikroskopische Bereiche führt zu unanschaulichen Begriffen und Theorien. 4. Trotz ihrer nicht ewigen, aber in ihrer Zeit objektiven Wahrheiten in Form von Theorien und Gesetzen wirken die Naturwissenschaften tendenziell emanzipatorisch gegenüber Ideologien. 5. Im Physikunterricht sind prototypische Beispiele physikalischer Theorien und Methoden auch für sich relevant, - für ihre Anwendung in der Technik und für die erkenntnis- und wissenschaftstheoretische Reflexion der Physik.

36 904 905 906 907 908 909 910 911 912 913 914 915 916 917 918 919 920 921 922 923 924 925 926 927 928 929 930 931 932 933 934 935 936 937 938 939 940 941 942 943 944 945 946

1 Warum Physikunterricht?

Euklidische Geometrie

Klassische Mechanik

Chemie

Feldtheorie

Thermodynamik

Relativitätsproblem

Nichteuklidische Geometrie

Thermodynamik des Kontinuums

Spezielle Relativitätstheorie

Allgemeine Relativitätstheorie

Quantentheorie

Abb. 1.1: Das Gefüge der Physik (v. Weizsäcker 1988, 221)

1.2.3 Über die Natur der Naturwissenschaften lernen Die Redeweise „Über die Natur der Naturwissenschaften lernen“ bedeutet im engeren Sinne, im Physikunterricht erkenntnis- und wissenschaftstheoretische Fragen zu thematisieren. Welche Beziehungen bestehen zwischen Physik und Realität? Wie ist die Physik aufgebaut?

Wie in 1.1.1 ausgeführt, hat Litt diese philosophische Reflexion der Naturwissenschaften in der Tradition der Bildungstheorie begründet. Auch Dewey (19643) forderte schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts „learning about the nature of science“. Man kann die Redewendung „über Physik lernen“ (s. Jung 1979; Niedderer & Schecker 1982) auch in einem weiteren Sinne verstehen: „Welche Bedeutung hat die Physik für Nichtphysiker oder für die Gesellschaft?“ „Können die Naturwissenschaften zur Erhaltung des Friedens beitragen?“ „Welche Rolle können oder müssen die Naturwissenschaften übernehmen bei der Bewältigung der ökologischen Krisen?“ In neuerer Zeit stellen u. a. Aikenhead (1973), Mikelskis (1986), Westphal (1992) und Jonas (1984) solche gesellschaftlichen, politischen, ethischen

1.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts 947 948 949 950 951 952 953 954 955 956 957 958 959 960 961 962 963 964 965 966 967 968 969 970 971 972 973 974 975 976 977 978 979 980 981 982 983 984 985 986 987 988 989

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Fragen. Ergänzt durch technik- und wirtschaftsethische Fragen und die Geschichte der Physik (s. Höttecke 2001), kann man von der „Metastruktur der Physik“ sprechen, die im Unterricht diskutiert und gelernt werden soll. In diesem Abschnitt wird die begriffliche und die methodische Struktur der Physik etwas genauer als in der „Einführung“ erörtert. 1. Sie erinnern sich, dass zur begrifflichen Struktur der Physik umgangsprachliche und fachspezifische Begriffe zählen. Eine physikalische Aussage wie: Die Dichte von Eisen ist größer als die Dichte von Aluminium, enthält nur einen physikalischen Begriff, nämlich „Dichte“. Die übrigen Ausdrücke sind der Umgangsprache entnommen. Allerdings können die Ausdrücke „Eisen“ und „Aluminium“ als physikalische bzw. chemische Begriffe aufgefasst werden, wenn sie durch physikalische bzw. chemische Theorien näher erklärt werden. Der Ausdruck „Dichte“ hat in der Physik eine spezielle Bedeutung, nämlich die des Quotienten aus Masse und Volumen: (Massen-) Dichte ρ = m/V. Dieser Begriff ist außerdem „operational definiert“, das bedeutet, dass mindestens ein Messverfahren existiert, durch das die physikalische „Dichte“ festgelegt ist. Damit ist „Dichte“ ein „metrischer Begriff“, man sagt auch eine „physikalische Größe“. Zu jeder physikalischen Größe gehört ein Größenwert und eine physikalische „Einheit“. Der Begriff „Massendichte“ hat in der theoretischen und experimentellen Physik keine besonders große Bedeutung; sie hat keinen eigenen Namen für die Einheit, wie die „Kraft“ oder die „Energie“, die in „Newton“ (N) bzw. in „Joule“ (J) gemessen werden. Nur sieben sogenannte Grundgrößen („Basisgrößen“) benötigt die (klassische) Physik, um damit die übrigen physikalischen Größen abzuleiten. Für die Schulphysik sind Länge (m), Zeit (s), Masse (kg), die elektrische Grundgröße „Stromstärke“ (A) und die kalorimetrische Grundgröße „Temperatur“ (K) am wichtigsten. Die „Dichte“ ist eine „abgeleitete Größe“ mit der Einheit (kg/m3). Natürlich sind die Grundgrößen ebenfalls operational definiert. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig bemüht sich, ebenso wie entsprechende physikalisch-technische Institute in den hochtechnisierten Staaten, (u. a.) die Grundgrößen durch möglichst genaue Messverfahren festzulegen. Wenn durch neue Technologien, wie etwa die Lasertechnik, noch präzisere Festlegungen möglich sind, werden die Standardmessverfahren, d. h. die operationalen Definitionen geändert.

Welche Bedeutung hat die Physik für Nichtphysiker oder für die Erhaltung des Friedens, für die Bewältigung ökologischer Krisen für die Gesellschaft? Begriffliche Struktur der Physik

Sieben Grundgrößen („Basisgrößen“) benötigt die klassische Physik

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Beispiel: operationale Definition des „Meter“

Wichtige Messergebnisse werden durch verschiedene Messverfahren getestet

1 Warum Physikunterricht? Ein Beispiel für derartige Änderungen ist die operationale Definition des „Meter“. Das „Urmeter“ in Paris, mit seinen Kopien unter anderem in Braunschweig, Moskau und London, wurde zunächst ersetzt durch ein spektroskopisches Verfahren. Dafür wurde 1968 eine rote Spektrallinie des Edelgases Krypton gewählt. 1983 wurde das „Meter“ als Längeneinheit neu definiert, nämlich über die Sekunde und die Lichtgeschwindigkeit; beide Größen können gegenwärtig äußerst genau bestimmt werden: 1 Meter ist der Weg, den das Licht im Vakuum in 1/c Sekunden zurücklegt (c = 299 792 458 m/s). Die Sekunde ist seit 1967 über ein inneratomares Phänomen (Hyperfeinstrukturübergang) festgelegt, das in „Atomuhren“ an 133Cs hervorgerufen wird. Diese große Genauigkeit bei der Festlegung der Grundgrößen ist nicht nur aus physikalischen Gründen notwendig, zum Beispiel um Theorien genauer testen zu können, sondern auch aus technischgesellschaftlichen Gründen. Das moderne Verkehrswesen in der Luft oder im Wasser benötigt diese extreme Genauigkeit bei der Zeit- und Entfernungsmessung, um Unfälle in der Luft und auf dem Wasser zu vermeiden (s. Sexl & Schmidt 1978). Neben dieser friedlichen Nutzung ist die hohe Genauigkeit der Messverfahren auch für die Entwicklung von Waffen mit großer Zielgenauigkeit von Bedeutung. Physikalische Theorien werden nicht nur über die Genauigkeit getestet, mit der ihre Prognosen mit den experimentellen Daten übereinstimmen. Man vergleicht dazu auch die Messergebnisse, die durch verschiedene Messverfahren gewonnen wurden. So wurde die Relativitätstheorie auch dadurch getestet, dass man relativistische Effekte wie die Zeitdilatation in ganz unterschiedlichen experimentellen Arrangements untersuchte. Die Beurteilung, ob ein Experiment eine Theorie bestätigt oder widerlegt, ist im Allgemeinen sehr schwierig, weil es kein Beurteilungsschema gibt, das sich auf alle Fälle anwenden lässt. Duhem (1978, 290) hat schon zu Beginn dieses Jahrhunderts darauf hingewiesen, dass dabei auch außerwissenschaftliche Argumente eine Rolle spielen können, wie die Konvention und inividuelle Auffassungen prominenter Naturwissenschaftler.

Methodische Struktur der Naturwissenschaften

2. Zur Beschreibung der methodischen Struktur der Naturwissenschaften wurde bis in unsere Zeit das Begriffspaar „induktive“ und „deduktive“ Methode verwendet. Das trifft insbesondere auch auf den naturwissenschaftlichen Unterricht zu. Durch den Einfluss von Wissenschaftsphilosophen wie Popper (19766) und Kuhn (19762) hat sich weitgehend durchgesetzt, dass es im Gegensatz zur Mathematik in den Naturwissenschaften eine „induktive Methode“ nicht geben kann.

1.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts 1033 1034 1035 1036 1037 1038 1039 1040 1041 1042 1043 1044 1045 1046 1047 1048 1049 1050 1051 1052 1053 1054 1055 1056 1057 1058 1059 1060 1061 1062 1063 1064 1065 1066 1067 1068 1069 1070 1071 1072 1073 1074 1075

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Aus diesem Grunde wird heutzutage in der Physikdidaktik dafür plädiert, im Physikunterricht auf diesen Ausdruck zu verzichten und ihn höchstens im Kontext des „über Physik lernen“ zu problematisieren (s. Kap.24). Physikalische Gesetze gewinnt man also nicht „induktiv“, sondern sie entstehen nach und nach in einem Wechselspiel von Hypothesen und Experimenten; die einzelnen Schritte sind nicht im Voraus festzulegen. Wie die historischen Analysen zeigen (u. a. Popper, Kuhn, Feyerabend, Lakatos), werden sie kreativ in konkreten Forschungssituationen entwickelt. Kuhn (19762) spricht von „naturwissenschaftlichen Revolutionen“, als besonders wichtigen Etappen in der Entwicklung einer wissenschaftlichen Disziplin. Eine neue revolutionäre Theorie, die schließlich die Naturwissenschaften beeinflusst, nennt er „Paradigma“. In der Phase der detaillierten Ausarbeitung einer neuen Theorie, der „Normalwissenschaft“, wird „hypothetisch deduktiv“ vorgegangen, werden Folgerungen aus dem Paradigma auf alte oder neue physikalische Probleme angewandt und theoretisch und experimentell untersucht (Näheres zu T. S. Kuhns Wissenschaftstheorie s. Kap. 24).

Physikalische Gesetze entstehen in einem Wechselspiel von Hypothesen und Experimenten

3. Durch die Naturwissenschaften wird versucht, die Wirklichkeit zu beschreiben und zu erklären, die Vergangenheit und die Gegenwart zu erhellen, Prognosen für die Zukunft zu geben. Wie gut gelingt das? Was leistet die Physik? Ist bald ein Ende der Physik erreicht? Was können wir über die Wirklichkeit wissen? Wie wird die Wirklichkeit in den physikalischen Theorien abgebildet? Ist die Wirklichkeit „an sich“ durch physikalische Theorien näher zu charakterisieren? Die zuletzt formulierten Fragen sind nur sinnvoll mit realistischen Auffassungen als philosophischem Hintergrund. Interessante Meinungen zum Problem „Physik und Wirklichkeit“ haben u. a. Planck, Bohr, Born, Einstein, Heisenberg, Dürr vertreten. Ich folge hier Ludwig (1978), der zwischen „physikalischer Wirklichkeit“ und „tatsächlicher Wirklichkeit“ unterscheidet. Dabei ist es nicht nur eine physikalische Frage, ob die physikalische Wirklichkeit auch für die tatsächliche Wirklichkeit zuständig ist (s. Ludwig 1978, 165 f.). Ein physikalisches Objekt hängt mit physikalischen „Wirklichkeitsbereichen“ zusammen. Jeder Wirklichkeitsbereich wird durch eine physikalische Theorie konstruiert durch „die Zusammenfassung ‚aller‘ sicheren, determinierten und irreduziblen Hypothesen“ (Ludwig 1978, 182).

Realistische Auffassungen: Es wird hier zwischen „physikalischer Wirklichkeit“ und „tatsächlicher Wirklichkeit“ unterschieden

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Wirklichkeitsbereich Grundbereich Realtext

1 Warum Physikunterricht? Ein physikalischer „Wirklichkeitsbereich“ ist natürlich auch durch eine empirische Basis bestimmt, die Ludwig „Grundbereich“ nennt. Der „Grundbereich“ enthält verschiedenartige „Realtexte“ (Ludwig 1978, 12 ff.), nämlich einerseits allgemeine physikalische Erfahrungsinhalte und andererseits spezielle experimentelle Feststellungen (z. B. Messreihen). Über den Zusammenhang von „Wirklichkeitsbereich“ und „Grundbereich“ werden keine näheren Aussagen gemacht. Damit erhalten wir folgenden Zusammenhang von physikalischer Theorie und Wirklichkeitsbereich und Grundbereich: (physikalischer) Grundbereich

Intuitives Erraten! Abbildungsprinzipien physikalische Theorie Hypothesen

(physikalischer) Wirklichkeitsbereich

Abb. 1.2: Physikalische Theorie, physikalischer Wirklichkeitsbereich und Grundbereich (nach Ludwig 1978, 46).

Grundsätzliche Messungenauigkeit

Zwischen dem Grundbereich und der physikalischen Theorie bestehen (mathematische) Abbildungsprinzipien. Diese werden von Ludwig absichtlich unscharf gewählt, weil dadurch die grundsätzliche Messungenauigkeit in den Daten berücksichtigt werden kann. Außerdem spielen Kreativität, „intuitives Erraten“ ein Rolle. Aber nicht nur aus diesen Gründen ist das durch die Theorie konstruierte „Bild“ der Wirklichkeit unscharf. Dieses Bild ist kein „absolut exaktes“, weil mathematisch exakte Schlussfolgerungen aus einer physikalischen Theorie nur zu „fast sicheren Hypothesen“ führen können. Allerdings werden die Entsprechungen solcher Hypothesen in der Realität von den meisten Physikern als „physikalisch wirklich“ betrachtet (vgl. Ludwig 1978, 209). Mit Ludwigs Ansatz lässt sich für das Problem „Physik und Wirklichkeit“ ein wissenschaftstheoretischer und ein erkenntnistheoretischer Anteil unterscheiden. Einige wissenschaftstheoretische Aspekte kann der theoretische Physiker Ludwig exakt lösen. Andere können ver-

1.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts 1119 1120 1121 1122 1123 1124 1125 1126 1127 1128 1129 1130 1131 1132 1133 1134 1135 1136 1137 1138 1139 1140 1141 1142 1143 1144 1145 1146 1147 1148 1149 1150 1151 1152 1153 1154 1155 1156 1157 1158 1159 1160 1161

nünftig dargestellt werden, das heißt in einiger Übereinstimmung zur Forschungspraxis. Ludwig argumentiert: Die in der Physik üblichen direkten und indirekten Messungen physikalischer Größen führen schließlich zum selben Ergebnis. „Diese Kompatibilität von direkten und indirekten Messungen in einem nicht zu groß gewählten Bereich unmittelbarer Gegebenheiten ist die entscheidende Grundlage für die Möglichkeit, das von der Physik konstruierte Bild als das Bild einer realen Wirklichkeit aufzufassen“ (Ludwig 1978, 189). Es ist ein unscharfes, idealisiertes „Bild“. Die Unschärfe beinhaltet die Vorläufigkeit physikalischer Theorien, aber auch, dass andere neue „Bilder“ der Wirklichkeit konstruiert werden können. Im Gefolge der modernen Physik erscheint die Realität als „kognitiv unerschöpflich“ (Rescher 1987, 111 ff.). Ein Ende der Naturwissenschaften, ein Ende der Physik ist daher nicht zu erwarten.

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Die Kompatibilität von direkten und indirekten Messungen führt dazu, das von der Physik konstruierte Bild als das Bild einer realen Wirklichkeit aufzufassen.

1.2.4 Zusammenfassende Bemerkungen 1. Das naturwissenschaftliche Denken hat sich als enorm fruchtbar erwiesen, weil es ihm gelungen ist, eine ungeheure Vielfalt verschiedenartiger Phänomene auf einfachere, begrifflich bestimmte Sachverhalte und einfache Interpretationen zurückzuführen. Durch Abstraktionen ist dieses Denken über seine ursprünglichen begrifflichen Grenzen hinausgewachsen. Auch prinzipielle Grenzen dieses Denkens sind erkennbar geworden: Wirklichkeitserfahrung wird durch naturwissenschaftliches Denken nie vollständig ausgeschöpft. 2. Allgemeinbildende Aspekte der Physik • Die moderne Physik hat das heutige Weltbild der technischen Zivilisation wesentlich geprägt. Es ist wichtig, die Grundzüge und die Grenzen dieser Weltbilder zu verstehen. • Naturwissenschaften können emanzipatorisch wirken wegen der Freiheit der Wissenschaft und der Freiheit des Geistes, speziell − durch die Loslösung von der „Herrschaft der Faustregeln“ und von obrigkeitsstaatlichem Denken, − durch die Befreiung von ideologischen Zwängen und durch die Entlarvung von Vorurteilen, − durch das Offenlegen metaphysischer Implikationen. • Die „Suche nach Wahrheit“ war und ist ein wesentliches Motiv der physikalischen Forschung. • Leitideen der modernen Physik wie „Einfachheit“ und „Einheit“ der Theorien sollen im Physikunterricht transparent werden. • Physikalische Theorien sind Kulturgüter (wie andere Wissenschaften, wie künstlerische und religiöse Erzeugnisse).

Wirklichkeitserfa hrung wird durch naturwissenschaft liches Denken nie vollständig ausgeschöpft

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1 Warum Physikunterricht? • „Über Physik lernen“ hilft die Antinomien der naturwissenschaftlichen Methode im Hinblick auf Bildung zu beheben. 3. „Über die Natur der Naturwissenschaften lernen“ hat im Verlauf des 20. Jahrhunderts seine Bedeutung verändert. Driver et al. (1996, 16 ff.) geben folgende Begründungen: • Das Nützlichkeitsargument: Ein Verständnis der Natur der Naturwissenschaften ist notwendig, wenn man Naturwissenschaften verstehen und technische Objekte und Prozesse handhaben und erledigen soll, die einem im täglichen Leben begegnen. • Das demokratische Argument: Man muss die Natur der Naturwissenschaften verstehen, damit man gesellschaftlich-naturwissenschaftliche Probleme verstehen und an Entscheidungsprozessen teilnehmen kann. • Das kulturelle Argument: Ein Verständnis der Natur der Naturwissenschaften ist notwendig, um diese Naturwissenschaften als ein wesentliches Element der gegenwärtigen Kultur zu schätzen. • Das moralische Argument: Es ist von allgemeinem sittlichem Wert, die Normen der naturwissenschaftlichen Gemeinschaft mit ihren moralischen Verpflichtungen (Berufsethos) zu verstehen. • Das lernpsychologische Argument: Naturwissenschaftliche Inhalte werden durch die „Natur der Naturwissenschaften“ erfolgreicher gelernt. 4. Heute bilden erkenntnis- und wissenschaftstheoretische, wissenschaftshistorische, wissenschaftsethische, gesellschaftliche, politische und ästhetische Zusammenhänge im Umfeld der Naturwissenschaften diesen Begriff ab. Dafür wird hier der Ausdruck „Metastruktur der Naturwissenschaften“ verwendet. 5. In Deutschland fehlen bisher Studienpläne für die „Metastruktur der Natuwissenschaften“ in der Lehrerbildung. Allerdings wurden in England, USA Lehr- und Lernmaterialien publiziert, die auch für die Lehrerbildung verwendet werden können (z.B. Mc Comas 1998). Die in Deutschland publizierten Beispiele Kircher u. a. (1975), Meyling (1990), Grygier u.a. (2004), Hößle u.a. (2004), Höttecke (2008) sind ermutigende Anfänge. Empirische Untersuchungen, die das lernpsychologische Argument stützen, wurden (u.a.) von Sodian u.a. (2002), Grygier (2008) (Grundschule), Mikelskis – Seifert (2002), Leisner (2005) (Sek I), Meyling (1990) (Sek II) durchgeführt. Aus den Ergebnissen der TIMS-Studie folgern Baumert u. a. (2000b, 269): „...dass epistemologische Überzeugungen ein wichtiges, bislang nicht ausreichend gewürdigtes Element motivierten und verständnisvollen Lernens in der Schule darstellen“.

1.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts 1205 1206 1207 1208 1209 1210 1211 1212 1213 1214 1215 1216 1217 1218 1219 1220 1221 1222 1223 1224 1225 1226 1227 1228 1229 1230 1231 1232 1233 1234 1235 1236 1237 1238 1239 1240 1241 1242 1243 1244 1245 1246 1247

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1.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts „Der endgültig entfesselte Prometheus, dem die Wissenschaft nie gekannte Kräfte und die Wirtschaft den rastlosen Antrieb gibt, ruft nach einer Ethik, die durch freiwillige Zügel seine Macht davor zurückhält, dem Menschen zum Unheil zu werden“ (Jonas 1984, 7). Wir behandeln in diesem Abschnitt die Legitimation des Physikunterrichts in einer technischen Gesellschaft. Es wird die Ambivalenz der Technik skizziert und daran anschließend argumentiert, dass der Physikunterricht verpflichtet ist, Grundlagen für eine notwendige fachliche Aufklärung zu liefern. Diese ist eingebunden in die Diskussion über Sinn und Zweck der Technik. Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts ist erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts Allgemeingut der Physikdidaktik geworden und hat, damit auch zusammenhängend, erst in neuerer Zeit Einzug in die Lehrpläne aller Schularten gehalten. Der Zusammenhang von Gesellschaft und Physik (Naturwissenschaften) erfolgt vor allem über die Technik. Was ist Technik? Wie verhält sich Technik zu anderen Bereichen unseres Lebens, zu Wirtschaft und Wissenschaft, zu Politik, zu Kunst und Religion? Ist sie etwas Gutes oder etwas Böses oder steht sie jenseits moralischer Werte? Wohin führt der Weg, wenn wir mit der Technik die Welt verändern – und mit der Technik uns selbst?

Was ist Technik?

1.3.1 Die moderne technische Gesellschaft 1. Der Mensch hat seit seinen Anfängen versucht, durch Technik seine biologischen „Mängel“ zu beheben. Der Aspekt des technischen Handelns durchzieht den Weg des Menschen bis in unsere Zeit. Zunächst ermöglichte Technik das Überleben unserer erst vor einigen Millionen Jahren entstandenen Spezies. Die heutige Technik entbindet weitgehend von Schwerstarbeit etwa im Bergbau, der Landwirtschaft, im Hoch- und Tiefbau usw. , sie versetzt die Gesellschaft auch in die Lage, sich eine artifizielle Welt an die Stelle der ursprünglich gegebenen zu setzen. Sachsse (1978) folgend, bedeutet technisches Handeln einen Umweg zu wählen, um ein Ziel leichter oder schneller zu erreichen. War bei der Verwendung des Faustkeils die Wirkung und damit der Nutzen noch unmittelbar zu erkennen, so hat sich durch Arbeitsteilung der Weg über die technischen Mittel immer mehr und unüberschaubar verlängert. „Der Mensch holt immer weiter aus. Immer umfassender, langfristiger und unanschaulicher sind die Umwege und die Bemühungen um die Herstellung von Hilfsmitteln“ (Sachsse 1978, 15),

Technisches Handeln: einen Umweg wählen, um ein Ziel leichter oder schneller zu erreichen

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Mit der Entwicklung der Technik hat sich die Lernfähigkeit des Menschen entwickelt

1 Warum Physikunterricht? etwa bei der Weitergabe von Erfahrung durch die Sprache, die Schrift, den Buchdruck, durch die technischen Medien unserer Tage. Da technisches Handeln als Folge der immanenten Möglichkeit zur Arbeitsteilung dann auch soziales Handeln ist, ist im Falle der Arbeitsteilung der soziale Effekt offensichtlich: In immer kürzerer Zeit ist es möglich Arbeit und Freizeit zu organisieren und dabei beispielsweise mit immer mehr Menschen zu kommunizieren. Hand in Hand mit der Entwicklung der Technik hat sich die Lernfähigkeit des Menschen entwickelt. Heute ist die Entwicklung der Lernfähigkeit durch Personen und Medien selbst ein sehr wichtiger Teil der modernen technischen Gesellschaft. Sachsse (1978, 56 f.) unterscheidet zwei Stufen der produktiven Technik. Die erste Stufe der Agrarkulturen entsteht durch das Sesshaftwerden der Menschen vor zehntausend Jahren. Die zweite Stufe ist die Epoche der Industrietechnik, die simplifizierend dargestellt mit der Erfindung der Dampfmaschine im achtzehnten Jahrhundert entstanden ist.

Die Industrietechnik löst sich bewusst vom Vorbild der Natur

Während die ursprüngliche Agrartechnik sich der Natur angepasst hat und von ihren Möglichkeiten her gar nicht anders konnte als sich anzupassen, löst sich die Industrietechnik bewusst vom Vorbild der Natur. Die philosophischen Grundlagen hierfür legen Bacon (1620) und Descartes (1637). Dem Menschen wird nun die gesamte Natur als Werkzeug, als technisches Instrument in die Hand gegeben, nicht nur Einzelstücke von ihr. Der Mensch wird zum Herrn und Eigentümer der Natur. Durch die Beherrschung der Natur kann das Paradies auf Erden geschaffen werden, so die Utopien von Francis Bacon bis Karl Marx. Es dauerte noch über hundert Jahre, bis diese Umorientierung sich in der Gesellschaft durchsetzte. In der zweiten Hälfte des achtzehnten Jahrhunderts wurden diese Ideen realisiert, die Industrialisierung des Planeten begann in England und Frankreich. Sachsse (1978) nennt folgende Merkmale der Industrietechnik:

Merkmale der neuen Industrietechnik

• den bewusst progressiven und revolutionären Charakter • keine systemimmanenten Grenzen wie in der Agrartechnik • Verwissenschaftlichung der Methode und damit zusammenhängend die Spezialisierung der Industrietechnik • Notwendige Integration der spezialisierten Funktionen in größeren Systemeinheiten • Verlust des anschaulichen Zusammenhangs zwischen Mittel und Zweck • Dynamik der Entwicklung der Industrietechnik.

1.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts 1291 1292 1293 1294 1295 1296 1297 1298 1299 1300 1301 1302 1303 1304 1305 1306 1307 1308 1309 1310 1311 1312 1313 1314 1315 1316 1317 1318 1319 1320 1321 1322 1323 1324 1325 1326 1327 1328 1329 1330 1331 1332 1333

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Als eine Folge der dynamischen Entwicklung der Technik und ihres globalen Umfangs hebt Jonas (1984, 54 ff.) folgende Charakteristika der Technik hervor: • Die Verfügbarkeit der Technik • Die Leichtigkeit der Verfügung • Die Ohnmacht des Wissens hinsichtlich langfristiger Prognosen. Diese Eigenschaften und Merkmale der Industrietechnik bergen große Potentiale für Leben ermöglichenden, Leben erleichternden, Leben erhöhenden Nutzen, aber auch Leben zerstörende, Leben erschwerende, Leben erniedrigende Probleme in sich. Die Technik liefert „die Fülle der notwendigen Voraussetzungen für die Verwirklichung des Menschen auf dieser Erde, jedoch nicht die hinreichenden Bedingungen dafür“ (Sachsse 1978, 56). 2. Die Summe dieser Merkmale der Technik führt zu einer Veränderung der biologischen Grundparameter unserer menschlichen Existenz, „wie das unmittelbar durch die Steigerung der Bevölkerungsdichte und durch die Eruption der Lebensansprüche in die Augen springt“ (Sachsse 1978, 91 f.) In Lübbes optimistischer Interpretation der modernen Technik (Lübbe 1990, 152) sind es die offensichtlichen Lebensvorzüge und lebenswichtigen Vorteile, die zur rasanten Entwicklung der Technik und damit zur Dynamik in der Industriegesellschaft führen. Es sind vor allem die Überwindung der Armut, die damit verbundene soziale Sicherheit und die Erleichterung der Arbeit. Zu Letzterem zählt nicht nur die Verringerung der Schwerstarbeit durch die Erfindung und den Einsatz immer besserer und spezifisch einsetzbarer Maschinen, sondern auch die Vermeidung negativer Arbeitsfolgen wie Unfälle und arbeitsbedingtes Siechtum und frühes Altern. Mit der Produktivitätssteigerung mittels der modernen Technik ist neben der Arbeitserleichterung auch Zeitgewinn verbunden, der, sinnvoll genutzt, zur Bereicherung des Lebens und zur Selbstverwirklichung mit Hilfe der Technik führt (s. z. B. Storck 1977, 64 ff.). Sachsse (1978) und Jonas (1984) heben dagegen die Eigendynamik der technischen Entwicklungen hervor. Der Mensch ist in der Rolle des Zauberlehrlings gegenüber der von ihm geschaffenen Technik, durch diese manipulierbar und manipuliert.

Potentiale der Technik

Veränderung der menschlichen Grundparameter durch die Technik

• Überwindung der Armut, • soziale Sicherheit, • Erleichterung der Arbeit

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1 Warum Physikunterricht?

1.3.2 Veränderte Einstellungen zur Technik – Wertewandel Einstellungsänderungen durch globale Schäden und Bedrohungen - Treibhauseffekt - Lärm - Bodenerosion - Waffen

1. Die Gründe für Einstellungsänderungen zur modernen Technik liegen vor allem in den Technikfolgen. Dazu gehört auch, wie die Gesellschaft mit dem durch Technik gewonnenen „Überfluss“ lebt, wie sie ihn produziert, wie sie ihn konsumiert. Die Stichworte sind bekannt: die Energieverschwendung und die Ressourcenknappheit, die Schädigung der natürlichen Umwelt durch die übermäßige Nutzung fossiler Brennstoffe, die einen globalen Treibhauseffekt hervorrufen kann, die Energiegewinnung durch Kernbrennstoffe, die im Katastrophenfall über Menschenalter hinweg zu Genschädigungen und Tod in der belebten Natur führen, der Müll und die Müllentsorgung. Die durch die kürzere Arbeitszeit und entsprechende technische Entwicklungen möglich gewordene Mobilität von Abermillionen von Menschen rund um den Globus führen zu Verkehrstaus, jährlich Tausenden von Verkehrstoten, Lärm, Stress der Verkehrsteilnehmer, zu ökologischen Schäden durch den Bau immer neuer Verkehrswege, Autobahnen und Eisenbahntrassen, Luftverschmutzung durch Auto- und Flugzeugabgase. Das bedeutet Beeinträchtigung von Lebensqualitäten für das Individuum und langfristige, globale Schädigungen des Ökosystems. Im Bewusstsein der Bevölkerung der modernen technischen Gesellschaften kommt eine solche Bedrohung auch von der Produktion von Nahrung für die ständig wachsende Weltbevölkerung: Tropenwälder werden brandgerodet für billigen Profit für wenige Jahre, aber mit der Folge von Bodenerosion. Grundwasser wird durch Überdüngung der Böden ungenießbar. Ständig wachsende Viehherden reduzieren oder vernichten die Vegetation in Steppengebieten, so dass sich jährlich große Flächen in unfruchtbare Wüste verwandeln. Durch den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln wird die natürliche Flora und Fauna empfindlich geschädigt oder zerstört. Gifte gelangen in die Nahrungskette. Die Folgen der Biotechnik für den Einzelnen und die Gesellschaft sind gegenwärtig noch unkalkulierbar. Schließlich sei an ein weiteres Produkt der modernen Technik erinnert, das ganz evident als unmittelbare Bedrohung empfunden wird, die Waffentechnik. Mittels atomarer, biologischer und chemischer Waffen ist die Vernichtung nicht nur der Menschen, sondern wahrscheinlich aller höherentwickelten Lebewesen auf dem Erdball in den Bereich des Möglichen gerückt. Selbst die Weiterentwicklung konventioneller Waffen mit unvorstellbarer Präzision, mit unvorstellbaren Einsatzbedingungen, unabhängig von Tag und Nacht,

1.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts 1377 1378 1379 1380 1381 1382 1383 1384 1385 1386 1387 1388 1389 1390 1391 1392 1393 1394 1395 1396 1397 1398 1399 1400 1401 1402 1403 1404 1405 1406 1407 1408 1409 1410 1411 1412 1413 1414 1415 1416 1417 1418 1419

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unabhängig von jeder Witterung, führen zu latenter Beunruhigung. Zusammen mit dem Eindringen in die Privatsphäre, den Möglichkeiten mit Hilfe der modernen Technik in Wohnungen Gespräche zu überwachen, entsteht ein Gefühl des permanenten Ausgeliefertseins: an diese Waffen, an diese Spionagetechnik, an jede Technik. Huxleys „Schöne neue Welt“ könnte zur Realsatire werden. 2. Die Lebensbedingungen in der modernen technischen Gesellschaft ändern Einstellungen nicht nur durch Angst und Schrecken. Auch die positiven Seiten der Technik tragen zu Einstellungsänderungen bei. Der Zeitgewinn, mehr Freizeit und die höhere Prosperität großer Bevölkerungsschichten in den westlichen Demokratien führten zu einem anderen Umgang mit den Produkten. Ausdrücke wie „Wegwerfgesellschaft“, „Freizeitgesellschaft“ oder „Konsumgesellschaft“ deuten solche Einstellungsänderungen an. Hedonismus wurde spätestens seit den siebziger Jahren zum Lebenssinn einer „Gesellschaft im Überfluss“ (Galbraith 1963).

Einstellungsänderungen durch Überfluss

Sogenannte sekundäre Tugenden wie Fleiß, Disziplin, Ordnungsbereitschaft, Zuverlässigkeit nehmen ab. Sie spielen in der Lebensorientierung etwa des Bildungsbürgertums eine geringere Rolle als „eine Gruppe feinerer Lebensorientierungen: Kreativität, Sensibilität ... Selbstverwirklichung“ (Lübbe 1990, 156). Diese neuen Werte sind eine mittelbare Folge der in den siebziger Jahren beginnenden Technikkritik: Aus einem Gefühl der Ohnmacht gegenüber einer Politik, die fraglos auf die weitere Entwicklung der Technik (Kerntechnik, Verkehrstechnik, Waffentechnik, Agrartechnik, Gentechnik) setzt, erfolgt ein Rückzug ins Private, in die überschaubaren Bereiche der Familie, in den Hobbybereich, in die karitativen Organisationen, die Sportvereine. Letztlich sind es aber nur kleine Randgruppen, sogenannte „Aussteiger“, die sich dem Einfluss der modernen technischen Gesellschaft zu entziehen versuchen, indem sie ohne die konsumtiven Ansprüche der Mehrheit der Bevölkerung ein Leben in ländlicher Idylle führen. 3. In soziologischer Betrachtung (Hillmann 19892, 177 ff.) beginnt in den achtziger Jahren ein Wertewandel, der alle wichtigen Bereiche der Lebenswelt tangiert: • Natur und Leben (z. B. Erhaltung eines menschenwürdigen naturverbundenen Lebens, gesunde Lebensweise und Ernährung) • Arbeit und Beruf (z. B. Humanisierung der Arbeit, Arbeitsplatzsicherheit, Jobdenken) • Technik und Wirtschaft (z. B. ökologische Verträglichkeit, energie- und rohstoffsparende Wirtschaftsweise)

Wertewandel in allen wichtigen Bereichen der Lebenswelt

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1 Warum Physikunterricht? • Konsum (z. B. ökologisch orientierte Sparsamkeit, Rücksichtnahme auf die Dritte Welt, Verbraucherschutz) • Staat, Herrschaft und Politik (z. B. Persönlichkeitsschutz, Entstaatlichung, Rüstungskontrolle) • Gesellschaftliches, mitmenschliches Zusammenleben (z. B. Emanzipation der Frau, Gemeinschaftssinn, Mitmenschlichkeit) • Persönlichkeitsbereich: Selbstverständnis, Emotionalität, Denkstile (z. B. der Mensch als kreative und aktiv handelnde Sozialpersönlichkeit, seelische Ausgeglichenheit, vernetztes Denken). Insbesondere der Natur- und Umweltschutz fand sehr aktive Unterstützung durch Gruppen wie „Greenpeace“. Letztere erreichte durch spektakuläre Aktionen weltweite Aufmerksamkeit für bedrohte Tierarten ebenso wie bei ihren Aktionen gegen Atomwaffenversuche im Pazifischen Ozean. In anderen Bereichen treten „Wertwandlungstendenzen nur als langsam ablaufende, geringfügige Schwerpunktsverlagerungen in Erscheinung“ (Hillmann 19892, 187). Dieser seitens der Soziologie diagnostizierte Wertewandel enthält implizite Leitideen für den naturwissenschaftlichen Unterricht. Aus den deskriptiven Aussagen der Soziologie werden normative Leitideen, z. B. aus dem Bereich „Arbeit und Beruf“: • Einsicht in die Humanisierung der Arbeitswelt durch die Mikroelektronik gewinnen

Leitideen für den naturwissenschaft lichen Unterricht

• Entwicklung von Fähigkeiten und Einstellungen zur erfolgreichen Teilnahme/Organisation von modernen Arbeitsprozessen (Nutzung von Internet und E-Mail zur Kommunikation und Wissensbeschaffung).

1.3.3 Technik- und Wissenschaftsethik 1. Kurz vor der Jahrtausendwende ist in einigen dicht bevölkerten Staaten mit demokratischen Strukturen das Bewusstsein für die globale und lokale Umwelt gewachsen. Die UNO hat versucht, weltweit geltende Verträge durchzusetzen. Parlamente wurden gesetzgeberisch tätig. Die meisten Staaten der Erde haben den Atomwaffensperrvertrag unterzeichnet, sowie Verträge, die die Produktion chemischer und biologischer Waffen verbieten. Auf internationalen Konferenzen wird versucht, den globalen CO2-Ausstoß zu reduzieren, weil diese Folge der modernen technischen Gesellschaft einen „Treibhauseffekt“ hervorruft, der aufgrund der höheren Temperatur gehäuft Naturkatastrophen auf dem Globus erwarten lässt (s. z. B. Kümmel 1998).

1.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts 1463 1464 1465 1466 1467 1468 1469 1470 1471 1472 1473 1474 1475 1476 1477 1478 1479 1480 1481 1482 1483 1484 1485 1486 1487 1488 1489 1490 1491 1492 1493 1494 1495 1496 1497 1498 1499 1500 1501 1502 1503 1504 1505

2. Der Natur- und Umweltschutz wurde in die Verfassungen der Bundesländer übernommen. Es gibt Umweltministerien, in den Großstädten wurden Umweltreferate geschaffen. Städte und Gemeinden errichteten zur Ressourcenschonung lokale Recyclingzentren, „Wertstoffhöfe“, in denen Metall, Glas und Papier gesammelt wird. Außerdem wird organischer Müll kompostiert, Sondermüll in speziellen Deponien entsorgt. Lärmbelästigungen durch den Verkehr werden durch Lärmschutzwälle und andere lärmdämmende und lärmverhindernde Maßnahmen reduziert. Luftmessstationen in den Städten können Smogalarm auslösen. Spezielle Abteilungen der Polizei befassen sich ausschließlich mit der Umweltkriminalität. Deutsche Politiker haben auf die Sorgen der Bürger reagiert.

49 Lokale und globale Umweltschutzmaßnahmen

In den Haushalten werden Energiesparlampen verwendet, Wärmeschutzmaßnahmen an Gebäuden werden ebenso steuerlich begünstigt wie die Modernisierung von Heizanlagen. Das 3l-Auto ist keine Utopie mehr (v. Weizsäcker u. a.1996; Schmidt-Bleek, 1997). Die individuell für Körperpflege, Haushalt, Beruf und Freizeit aufgewendete Energie hat sich in Deutschland in den vergangenen Jahren verringert, aber es kann im Jahre 2009 immer noch ca. 40% der Heizenergie durch Dämmmaßnahmen eingespart werden. 3. Auch in der Schule ist der Natur- und Umweltschutz als Leitziel vertreten. Schulklassen säubern Wald und Flur, Schüler trinken ihre tägliche Milchration aus Mehrwegflaschen. Sie pflanzen Büsche und Bäume, legen Schulgärten und Feuchtbiotope an.

Neues Leitziel der Schule: Natur- und Umweltschutz

4. Schließlich seien auch die Anstrengungen in der Industrie erwähnt, umweltverträgliche Produkte auf umweltverträgliche Weise zu erzeugen. Manche Weltfirmen können oder wollen es sich nicht mehr leisten, auf die Technikbewertung (Hubig 1993, 136), auf die sogenannte „Umweltverträglichkeitsprüfung“ (UVP) und das „ÖkoAudit“ (s. v. Weizsäcker u.a. 1996, 282) zu verzichten. Wirtschaftswissenschaftler (s. z. B. Binswanger 1991) haben kalkuliert, dass sich Umweltschutz nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch lohnt. In der Bundesrepublik hat der Wertewandel Konsequenzen in der Gesellschaft hervorgerufen: In Parteien, staatlichen Verwaltungen, im öffentlichen und privaten Leben hat insbesondere der Naturund Umweltschutz seine Spuren hinterlassen.

Umweltverträglich keitsprüfung in der Industrie

5. Demgegenüber kann man auch eine Negativbilanz aufmachen, in der Versäumnisse aufgeführt sind, gegenläufige Tendenzen zum oben aufgeführten Trend. So sollte z. B. eine Änderung der Verkehrspolitik mit einer Förderung des Schienenverkehrs ordnungspolitisch resoluter durchgesetzt werden. Das mit zunehmender Si-

Zur Negativbilanz: Versagen freiwilliger Selbstkontrolle

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1 Warum Physikunterricht? cherheitstechnik in den Autos wieder zunehmende individuelle Fehlverhalten, Raserei auf Deutschlands Straßen, könnte, wie etwa in den USA durch verstärkte Kontrollen und empfindlichere Strafen eingedämmt werden. Umweltsünder, die Ölreste, Säuren und Laugen in den Weltmeeren verklappen, härter bestraft werden. Den „Erfolgen gesetzlicher Zwänge steht das Versagen freiwilliger Selbstkontrolle gegenüber“ (Kümmel 1998, 103). Man kann zusammenfassend feststellen: • Die notwendigen gesetzgeberischen Maßnahmen, um Technikfolgeprobleme zu beherrschen, sind in der Bundesrepublik recht weit gehend erfolgt. Diese Maßnahmen sind aber noch nicht durchgängig umgesetzt. Dies gilt insbesondere für internationale Vereinbarungen. • Das Wissen um die Bedeutung von Natur- und Umweltschutz hat sich in der bundesdeutschen Bevölkerung verbreitert. Konsequentes umweltbewusstes Verhalten beschränkt sich allerdings auf eine kleine Minderheit. Weiterhin werden täglich Pflanzenund Tierarten auf dem Globus ausgerottet; sie sind für immer verschwunden. Es ist dasjenige Vergehen, das uns künftige Generationen am wenigsten vergeben werden (s. Wilson 1995).

1.3.4 Naturwissenschaftlicher Unterricht und das Prinzip Verantwortung Jonas: Neue Ethik erforderlich

Der Ausgangspunkt für die Überlegungen von Hans Jonas ist: Einem sensiblen Ökosystem steht eine Menschheit gegenüber, die die Natur immer mehr nutzt, ausnutzt, ausbeutet, mit immer mächtigeren Werkzeugen, mit immer effizienterer Technologie. Jonas argumentiert, dass mit der neuen Technik und dem damit verbundenen Fortschritt neuartige Fragen verbunden sind, die mit der herkömmlichen Ethik nicht zu beantworten sind: Fragen im Zusammenhang mit der Lebensverlängerung, mit der Erzeugung von Leben mit Hilfe der Technik. Ein wesentliches Element dieser neuen Ethik ist das „Prinzip Verantwortung“. Dieses schließt nicht wie herkömmlich vor allem den Menschen ein, sondern auch die belebte und unbelebte Natur (s. Jonas 1984, 95). Verantwortung bedeutet, die Toleranzgrenzen der Natur zu beachten: Fortschritt ja, aber mit Vorsicht, so dass das Ökosystem der Erde dauerhaft erhalten bleibt. Im Zweifelsfalle ist Risiko zu meiden: also nicht wie bisher, „wer wagt, gewinnt“, sondern der Vorrang der

1.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts 1549 1550 1551 1552 1553 1554 1555 1556 1557 1558 1559 1560 1561 1562 1563 1564 1565 1566 1567 1568 1569 1570 1571 1572 1573 1574 1575 1576 1577 1578 1579 1580 1581 1582 1583 1584 1585 1586 1587 1588 1589 1590 1591

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schlechten Prognose vor der guten. Diese Maxime wird auch damit begründet, dass einerseits unser Wissen über die Zukunft gering ist und dass andererseits für Jonas eine Pflicht für die Zukunft der Menschheit besteht. Jonas’ Entwurf einer neuen Ethik ist eine radikale Kritik an westlichen und östlichen Leitbildern, die bei aller Verschiedenheit einen Anthropozentrismus ebenso gemeinsam haben wie ihre Utopien über die Gesellschaft, seien diese als „Gesellschaft im Überfluss“ oder als „Paradies auf Erden“ benannt. Statt Überfluss als Ziel ist Bescheidenheit notwendig, kein Hedonismus sondern Genügsamkeit, Askese, Verzicht. Zur Verwirklichung dieses Leitbilds muss auch die Schule beitragen. Dem naturwissenschaftlichen Unterricht fällt dabei die wichtige Aufgabe zu, die Notwendigkeit von Technik auch unter diesem Leitbild verständlich zu machen:

Jonas’ neues Leitbild: Bescheidenheit und Verzicht

Die ständig wachsende Bevölkerung kann nur durch Anwendung von Technik ein menschenwürdiges Dasein führen. Naturwissenschaftliches Wissen hat damit eine neue fundamentale Rolle in der Moral: „Wissen (wird) zu einer vordringlichen Pflicht über alles hinaus, was je vorher für seine Rolle in Anspruch genommen wurde, und das Wissen muss dem kausalen Ausmaß unseres Handelns größengleich sein“ (Jonas 1984, 28).

Naturwissenschaft liches Wissen hat eine neue fundamentale Rolle in der Moral

Jonas folgend liegt das Problem darin, dass das vorhersagende Wissen der Naturwissenschaften hinter dem technischen Wissen, „das unserem Handeln Macht gibt“, zurückbleibt. Auch Jonas schlägt zur Lösung dieses Konflikts, die Reflexion über das Wissen und das Nichtwissen vor, ethische Reflexionen über Naturwissenschaft und Technik.

Ethische Reflexionen über Naturwissenschaft und Technik

Mit Jonas Argumenten liegt eine weitere fundamentale Begründung für den naturwissenschaftlichen Unterricht vor.

1.3.5 Umwelterziehung und Bildung der Nachhaltigkeit 1. Das Ziel der Umwelterziehung ist das Wecken eines Umweltbewusstseins. Dieser Ausdruck enthält in der Interpretation von de Haan & Kuckartz (1996) die drei Komponenten: Umweltwissen, positive Umwelteinstellungen und sinnvolles Umweltverhalten. Ein einfaches Modell der Umwelterziehung nimmt an, dass Umweltwissen positive Umwelteinstellungen bewirkt, die auf einen verbesserten Umweltschutz ausgerichtet sind. Die Umwelteinstellungen steuern dann das Umweltverhalten, z. B. der sparsame Umgang mit Energie im Haushalt, bei der Körperpflege oder bei der

Umweltbewusstsein: Umweltwissen, Umwelteinstellung, Umweltverhalten

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1 Warum Physikunterricht? Beleuchtung, im Verkehr durch den Kauf sparsamer Autos, durch die Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel, durch Verzicht auf Fernferienreisen mit dem Flugzeug wegen des immensen Kerosinverbrauchs pro Fluggast und der damit verbundenen Luftverschmutzung.

Änderung des Lebensstils

Umweltverhalten ist kein homogener Verhaltensbereich

Die Analyse der zahlreich durchgeführten empirischen Untersuchungen im In- und Ausland haben dieses einfache Modell nicht bestätigt. Zwischen Umweltwissen, Betroffenheit, Einstellungen und Verhalten bestehen nur geringe Zusammenhänge. Für das tatsächliche Umweltverhalten spielen andere Charakteristika der Menschen einer technischen Gesellschaft eine Rolle: die Sozialisation durch den Beruf, die ökonomischen Interessen und die Lebensstile (s. Haan & Kuckartz 1996, 238). Besonders deutlich wird der Unterschied zwischen Umweltwissen und Umweltverhalten bei Lehrern. Denn obwohl diese Umwelterziehung im Unterricht praktizieren und sie auch über kompetentes Umweltwissen verfügen, sind ihre Umwelteinstellungen nur „durchschnittlich“. Jugendliche (10. Klasse) sehen in den Lehrern bezüglich des Umweltverhaltens schlechte Beispiele, denn es fällt ihnen u. a. schwer, öffentliche Nahverkehrsmittel zu benutzen, auf bestimmte umweltschädigende Sportarten zu verzichten, in der Freizeit an Natur- und Umweltschutzprojekten mitzuarbeiten oder diese gar zu initiieren (de Haan & Kuckartz 1996, 159). Es zeigt sich insgesamt, dass Umweltverhalten kein homogener Verhaltensbereich ist. Umweltverhalten, das keine größeren Opfer verlangt, wie z. B. die Abfallsortierung, wird eher praktiziert als Abfallvermeidung oder der öffentliche Einsatz zugunsten des Naturschutzes. Während beim Einkaufsverhalten bei bestimmten Produkten (z. B. Waschmittel) der Umweltschutz eine große Rolle spielt, ist dies bisher beim Verkehrsverhalten nicht der Fall. Beim umweltgerechten Energiesparen ist auch das finanzielle Motiv wichtig. Es gibt noch weitere hemmende Motive für positives Umweltverhalten wie die persönliche Bequemlichkeit und der erwähnte Lebensstil. Trotzdem wäre es verfehlt, der Schule in diesem Bereich Versagen vorzuwerfen. Umweltbewusstsein ist insbesondere in der Bundesrepublik zu einem sozialen Tatbestand geworden. Und sicherlich hat die Umwelterziehung dazu beigetragen, dass der Umweltschutz in unserer Gesellschaft für sehr wichtig gehalten wird, auch wenn der Beitrag der öffentlich-rechtlichen Medien oder von „Greenpeace“ größer sein dürfte als der der Schule (s. de Haan & Kuckartz 1996, 63 ff.).

Umweltwissen reicht nicht aus

2. Nachdem sich gezeigt hat, dass Umweltwissen keinesfalls ausreicht, um positives Umweltverhalten ursächlich hervorzurufen, wird derzeit diskutiert, ob ein neues Leitbild in der Schule angestrebt und vermittelt werden soll. Nicht mehr Betroffenheit über aktuelle ge-

1.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts 1635 1636 1637 1638 1639 1640 1641 1642 1643 1644 1645 1646 1647 1648 1649 1650 1651 1652 1653 1654 1655 1656 1657 1658 1659 1660 1661 1662 1663 1664 1665 1666 1667 1668 1669 1670 1671 1672 1673 1674 1675 1676 1677

genwärtige oder künftige Katastrophen sollen Auslöser für ein bestimmtes Umweltverhalten sein, sondern rationale Überlegungen wie die vorhandenen Ressourcen besser genutzt werden können, wie auch in den Entwicklungsländern Wohlstand erreicht werden kann, ohne dafür den gleichen Weg wie die Industriestaaten zu gehen. Es soll schließlich trotz einer noch steigenden Weltbevölkerung hinreichend Zeit für die Entwicklung neuer innovativer Produkte gewonnen werden, aber auch Zeit für die Verbreitung eines neuen Leitbildes. Dieses zielt zwar auf Einschränkungen, aber ohne Lebensqualität einzubüßen. Dieses Leitbild der „nachhaltigen Entwicklung“ („sustainable development“) wurde 1992 auf der Umweltkonferenz von Rio de Janeiro als Grundlage für nationale und internationale Umweltpolitik vorgeschlagen. Eine solche nachhaltige, zukunftsfähige Entwicklung soll folgenden Maximen genügen: • „Gleiche Lebensansprüche für alle Menschen (internationale Gerechtigkeit)

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Leitbild: Nachhaltige, zukunftsfähige Entwicklung

• Gleiche Lebensansprüche auch für künftige Generationen • Gestaltung des einer Nation unter diesen Prämissen zur Verfügung stehenden Umweltraums auf der Basis der Partizipation der Bürger. • Die Nutzung einer Ressource darf nicht größer sein als die Regenerationsrate … • Die Freisetzung von Stoffen darf nicht größer sein als die Aufnahmefähigkeit (critical loads) der Umwelt … • Nicht erneuerbare Ressourcen sollen nur in dem Maße genutzt werden, wie auf der Ebene der erneuerbaren Ressourcen solche nachwachsen …“ (de Haan & Kuckartz 1996, 273). Einige dieser Festlegungen durch die UNO implizieren auch Leitideen für den naturwissenschaftlichen Unterricht, die hier im Zusammenhang mit dem Wertewandel skizziert wurden (s. 1.3.2). Auch v. Weizsäcker u. a. (1996) halten einen Wertewandel für notwendig. Immaterielle Befriedigungen müssen sich gegen die gegenwärtig dominierenden materiellen Befriedigungen durchsetzen, sonst „haben wir keine Chance, das Wettrennen zwischen Effizienzzuwächsen und der Revolution der steigenden Erwartungen und der hemmungslosen Wachstumsspirale zu gewinnen“ (v. Weizsäcker u. a.1996, 326). 3. De Haan (1996, 283) stellt die kritische Frage, „wie dieses und wer denn dieses neue Umweltbewusstsein auf den Weg bringen

Umweltbewusstsein führt durch die Bildung

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1 Warum Physikunterricht? soll“. Für seine Antwort: „Der Weg führt durch die Bildung“, nennt er drei Gründe: • Umweltbewusstsein und -verhalten werden durch Lebens- und Denkstile und durch Vor-Urteile bestimmt. Diese sind erlernt und sie sind damit auch änderbar. • Eine nachhaltige, zukunftsfähige Entwicklung fordert von den Menschen der Industriestaaten im Namen künftiger Generationen und im Namen globaler Gerechtigkeit sich zu beschränken. „Ob man der Aufforderung zur Selbstbeschränkung folgen mag oder nicht, setzt Entscheidungskriterien voraus, über die man erst einmal verfügen muss. Und wie sonst sollen diese zugänglich werden, wenn nicht durch Unterrichtung und Diskurs?“ (de Haan & Kuckartz 1996, 284). • Bildung kann die kritische Reflexion vorhandener und die Entwicklung neuer Leitbilder fördern. Diese sind eine wichtige Voraussetzung für ein neues Umweltbewusstsein. Dieses wiederum ist „die Denkvoraussetzung einer epochalen Veränderung“ (de Haan & Kuckartz 1996, 284). Und um epochale Änderungen muss es tatsächlich gehen; es könnte sein, dass für die im Gefolge einer nachhaltig wirtschaftenden Weltgesellschaft anstehenden Änderungen der Ausdruck „Revolution des Weltbildes“ angemessen ist (de Haan & Kuckartz 1996, 277 ff.). Weitere komplexe interdisziplinäre technische, wirtschaftliche, soziologische Probleme sind die „Stoffproduktivität“ und die „Transportproduktivität“ (s. v. Weizsäcker u. a.1996). Es sind ebenso potentielle Themen für den Physikunterricht wie „Energieeffizienz“.

1.3.6 Zusammenfassende Bemerkungen Mehr naturwissenschaftlicher Unterricht

1. Die Darlegungen von Jonas (1984) machen deutlich, dass mehr naturwissenschaftlicher Unterricht nötig ist, um die anstehenden Probleme einer weiter wachsenden Erdbevölkerung lösen zu können. In der modernen technischen Gesellschaft ist die Individualität des Menschen eine Notwendigkeit, Mythos und Problem.

Neue überlebenswichtige Technologien

2. Die mit der nachhaltigen zukunftsfähigen Entwicklung zusammenhängende Bildung stellt eine neue Herausforderung für den naturwissenschaftlichen Unterricht dar. Neue überlebenswichtige Technologien gründen in den Naturwissenschaften und sie sind auch Teil der neuen Leitbilder.

1.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts 1721 1722 1723 1724 1725 1726 1727 1728 1729 1730 1731 1732 1733 1734 1735 1736 1737 1738 1739 1740 1741 1742 1743 1744 1745 1746 1747 1748 1749 1750 1751 1752 1753 1754 1755 1756 1757 1758 1759 1760 1761 1762 1763

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3. Leitideen zur gesellschaftlichen Dimension des Physikunterrichts: Wir sind auf naturwissenschaftlich-technische Bildung und Erziehung angewiesen, damit • Bürgerinnen und Bürger kompetent an Entscheidungen teilnehmen können über naturwissenschaftlich-technische Probleme mit gesellschaftlicher Relevanz • jedes Individuum sinnvolle Entscheidungen in Bezug auf seinen Beruf treffen kann • lokale und globale Katastrophen in einer modernen technischen Gesellschaft bewältigt oder vermieden werden können Naturwissenschaftlich- technische Bildung erlaubt, • die technisch geprägte Welt und ihre Risiken zu verstehen • die Freizeit sinnvoll zu nutzen • persönliche Interessen und geistige Beweglichkeit zu fördern • eigene und fremde körperliche Schäden zu vermeiden • sich einen umweltverträglichen Lebensstil anzueignen

Neue Leitbilder, neue Bildungsziele und Lebensstile können dazu beitragen, das gegenwärtige, ökologisch unangemessene menschliche Verhalten zu ändern

• sich gemeinsam aktiv für eine gesunde Umwelt und für verantwortungsvolle Nutzung der natürlichen Ressourcen einzusetzen, so dass die Welt für alle bewohnbar bleibt.

1.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts „Ich nenne eine Didaktik herzlos, die das eigene Denken der Kinder nicht achtet, statt sich von ihm auf den Weg bringen zu lassen“ (Wagenschein 1983, 129). Pädagogische Theorien einerseits (s. v. Hentig 1996) und Bürgerbewegungen andererseits fordern derzeit eine humane Schule, humanes Lernen in der Schule. 1. Wir erörtern in dieser Skizze zunächst verschiedene allgemeine Aspekte des humanen Lernens (s. Rumpf 1976; 1981;1986). Es geht dabei um Auffassungen, Wertschätzungen, Handlungsgewohnheiten, Handlungssysteme, die von Schülern in etablierten Lehreinrichtungen übernommen werden sollen und um Maßnahmen, die Lehrer einsetzen, um diese Änderungen zu bewirken. Humanes Lernen bedeutet, dass bei der Beurteilung der Lernprozesse nicht nur die Effektivität eine Rolle spielt, sondern auch der Vorgang des Lernens,

Humanes Lernen im Physikunterricht

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1 Warum Physikunterricht?

Werden natürliche Zugänge und Züge des menschlichen Lernens durch die Schule verschüttet?

insbesondere der Umgang des Lehrers mit den Schülern, mit deren Ideen und Weltbildern. In mittelbarer Weise ist für humanes Lernen auch der Umgang mit den Lerninhalten relevant. Denn die Art wie die Inhalte methodisiert und durch Medien illustriert werden, hat Auswirkungen auf die Schüler. Werden natürliche Zugänge und Wege des menschlichen Lernens durch die Schule verschüttet?

Umgang: kontinuierliches lernen

Ich verwende die Ausdrücke „Umgang“ (s. Rein 1909) und „Begegnung“ (s. Bollnow 1959). Sie erscheinen geeignet, um humanes Lernen in zwei besonderen Ausprägungen zu charakterisieren: Bei stetigen (kontinuierlichen) und bei unstetigen (diskontinuierlichen) Lernvorgängen. Neben dem Methodischen sind auch allgemeine Bildungs- und Erziehungsziele angesprochen. Dafür reichen die Auffassungen v. Hentigs und Klafkis nicht immer aus.

Begegnung: diskontinuierliches Lernen

2. Schüler können sich auf den Unterricht freuen und sie können die Schule mit Ängsten betreten, hoffend, dass der Schultag,, die gesamte Schulzeit bald vorbei ist. Diese Gefühle hängen von Lehrern und Lehrerinnen ab, von den Fächern, von den Mitschülern, von organisatorischen Gegebenheiten, unter denen Lernen stattfindet, humanes und inhumanes. Diese Beschreibung schließt ein, dass es Unterschiede zwischen Fächern und Fachlehrern gibt. So gelten Physiklehrer als streng, und Physik lernen ist schwierig (s. Kircher 1993). Es ist das Ziel dieses Abschnitts zu zeigen, dass humanes Lernen im Physikunterricht möglich ist. Es geht um Konkretisierungen, die aus der Leitidee „Humane Schule“ für den Physikunterricht zu ziehen sind.

1.4.1 Die übergangene Sinnlichkeit im Physikunterricht – eine Kritik Physiklernen in der Schule soll kein Optimierungsprozess sein: möglichst viel Wissen in möglichst kurzer Zeit

1. Nach herkömmlicher Auffassung ist die Schule eine Vorphase des Berufs; Schüler sind in einer Vorphase eines Erwachsenen. Vorstellungen und „Weltbilder“ der Schüler sind bestenfalls kuriose, vorläufige Ideen. Wegen dieses unreifen, unfertigen Zwischenstadiums erscheint es selbstverständlich, legitim, notwendig, die Schülerinnen und Schüler mit Wissen und Fähigkeiten auszustatten, damit sie als Erwachsene in einer von Wissenschaften geprägten Welt zurechtkommen. Dieser Aneignungsprozess ist insbesondere in den Naturwissenschaften zu optimieren im Hinblick auf ein möglichst umfassendes Wissen in möglichst kurzer Zeit, denn das naturwissenschaftlich-technische Wissen vergrößert sich immens, von Tag zu Tag, von Jahr zu Jahr. Für ein Kind bedeutet dies einen „Kurs in einer besonderen Askese: Es muss lernen, seine sinnlichen Welt-Resonanzen auf bestimmte Kanäle zu reduzieren und dort zu kontrollieren“ (Rumpf

1.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts 1807 1808 1809 1810 1811 1812 1813 1814 1815 1816 1817 1818 1819 1820 1821 1822 1823 1824 1825 1826 1827 1828 1829 1830 1831 1832 1833 1834 1835 1836 1837 1838 1839 1840 1841 1842 1843 1844 1845 1846 1847 1848 1849

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1981, 43). Formales Denken bedeutet, dass „das Subjekt als Träger einer Lebensgeschichte, einer vielfältig bestimmten Affektivität, eines Körpers in einer bestimmten Haltung und Verfassung, eines Geschlechts, einer bestimmten Lebenswelt ausgeklammert bleibt“ (Rumpf 1981, 135). 2. Bei einer solchen eingeengten Einführung in unsere Kultur und Zivilisation wird in Kauf genommen, dass der körperlich sinnliche Zugang zu den Phänomenen als störend und überflüssig empfunden wird. Es bleibt keine Zeit für die Schüler, ihre eigenen Meinungen zu überprüfen, weiter zu verfolgen, zu verwerfen, über die „Dinge“ zu fabulieren, sie in die Lebenswelt der Schüler einzubeziehen, sie zu hassen und zu lieben. So bleiben „die persönlichen, die grüblerischen, die tagträumerischen Gedanken … privat, unterhalb der Grenzlinie dessen, was … als Unterrichtsergebnis und -inhalt“ (Rumpf 1981, 135) vorgezeichnet ist. Dieser Trend in der Schule „zur Profilierung des Lernens auf eindeutig gemachte Bahnen, die die Lernprozesse zu Punktlieferanten macht“ (Rumpf 1981, 140), ist allerdings nicht neu, sondern auch ein Ergebnis einer durch und durch verwalteten Lebenswelt, die ihrerseits Folge der neuzeitlichen technischen Gesellschaft und ihrer Weltbilder ist. Dieser Prozess begann in Europa mit der Industrialisierung und der Schaffung zentralistischer Staaten. 3. Die hier skizzierte allzu rasche Aneignung des Wissens durch stereotype „Normalverfahren“ des Unterrichtens unter weitgehender Ausblendung lebensweltlicher Erfahrungen führt häufig zu mechanischem Lernen, zu unverstandenem Wissen, das die Schülerinnen und Schüler rasch wieder vergessen. Zu diesen aus der Sicht der betroffenen Schüler inhumanen Lernwegen kommt eine weitere Ursache für rasches Vergessen hinzu, die „leicht-fertige“ Übernahme der Fachsprache. Häufig erhalten Wörter der Umgangssprache, die in der Physik als Fachausdrücke verwendet werden, in diesem Kontext eine neue, andersartige Bedeutung. Ein physikalischer „Körper“ ist ohne Sinnlichkeit, nur ein abstraktes Ding, ist ohne Form und Farbe, ohne Bezug zur Lebenswelt. Außerdem werden in der Physik durch die Verwendung mathematischer Symbole gesetzmäßige Zusammenhänge zusätzlich abstrahiert und verkürzt dargestellt. Diese Vorteile der Naturwissenschaften, die Verwendung einer Fachsprache und die mathematische Darstellung, bedeuten für viele Lernende immense Schwierigkeiten. Es wird verfrüht eine Auskunft gegeben, nach der die Schüler nicht verlangen. Wagenschein (19764, 85) nennt dies „Korruption ihres Denkens“. Unterrichts- und Schulbuchanalysen

Der körperlich sinnliche Zugang zu den Phänomenen ist nicht störend und überflüssig sondern notwendig

Inhumane Lernwege durch Normalverfahren

„Leicht-fertige“ Übernahme der Fachsprache

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1 Warum Physikunterricht? ergaben, dass in einer Physikstunde mehr neue Fachbegriffe eingeführt werden als in einer Fremdsprache und das, obwohl physikalische Begriffe abstrakt, das heißt unanschaulich sind; außerdem sind sie „theoriegeladen“. Es ist erstaunlich, dass diese Tatsachen in manchen Schulbüchern immer noch übergangen werden.

Die Umgangssprache ist für ein ursprüngliches Verstehen der Physik notwendig

Exemplarisches Lehren und Lernen wird im Physikunterricht kaum befolgt

Andererseits haben Thiel und Wagenschein (s. Wagenschein, Banholzer & Thiel 1973) in vielen Unterrichtsbeispielen gezeigt, dass eine sinnlich-lebensweltliche und daher verständliche Umgangssprache ausreicht, um auch im Physikunterricht zu kommunizieren, mehr noch, dass die Umgangssprache für ein ursprüngliches Verstehen der Physik notwendig ist. „Die Muttersprache führt zur Fachsprache ohne zu verstummen. Die Umgangssprache wird nicht überwunden sondern überbaut“ (Wagenschein 1983, 81). 4. Ein weiteres Moment der übergangenen Sinnlichkeit rührt von Einstellungen mancher Lehrer, mit der Stofffülle in den Lehrplänen fertig zu werden: Sie fühlen sich angesichts übervoller Lehrpläne gedrängt zur oben skizzierten „Optimierung“ der Lernwege in den 45-Minuten-Takt einer Schulstunde. Gibt es dazu keine Alternativen? Die pädagogische Aufforderung „Mut zur Lücke“ und damit zusammenhängend das „exemplarische“ Lehren und Lernen (s. 4.2.1), wird nicht nur in der Praxis des Physikunterrichts kaum befolgt. Die Gründe dafür können ganz unterschiedlich sein: allgemeines Pflichtbewusstsein, auch einen Lehrplan möglichst buchstabengetreu auszuführen, Angst vor der Schulaufsicht, mangelndes Selbstbewusstsein gegenüber dem Kollegen, der die Klasse im nächsten Schuljahr übernehmen wird. Nicht ganz auszuschließen ist bei Physiklehrern eine gewisse Arroganz gegenüber pädagogischen Argumenten, falls diese in ihrer Ausbildung ausschließlich durch die Fachwissenschaft geprägt wurden und ihnen beispielsweise das Wissen über die Bedeutung des Sinnlichen und die Bedeutung der Schülervorstellungen für das Physiklernen fehlt.

1.4.2 Schulphysik als Umgang mit den Dingen der Realität Phänomene werden durch moderne Messgeräte verdeckt

1. Wagenscheins Aufruf: „Rettet die Phänomene“, ist heute so aktuell wie eh und je. Wagenscheins Anlass dazu war die hier erörterte „übergangene Sinnlichkeit“, die vorschnelle Einführung von physikalischen Begriffen und Modellen. Heute kommt die Sorge hinzu, dass die Phänomene kaum wahrnehmbar sind, weil sie von modernen Messgeräten wie dem Computer verdeckt werden, nicht mehr verwundern, nicht überraschen, nicht mehr überzeugend sind, weil

1.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts 1893 1894 1895 1896 1897 1898 1899 1900 1901 1902 1903 1904 1905 1906 1907 1908 1909 1910 1911 1912 1913 1914 1915 1916 1917 1918 1919 1920 1921 1922 1923 1924 1925 1926 1927 1928 1929 1930 1931 1932 1933 1934 1935

miniaturisierte Messfühler verwendet werden, deren „Äußerungen“ analog-digital-gewandelt nur der Computer versteht. Und es beunruhigt auch, dass die Realität vorwiegend nur noch aus zweiter Hand über Medien erfahren wird. Das bedeutet auch, dass die Ästhetik und die Würde der physikalischen Realität verschwindet, wenn der „Umgang“ mit den Dingen fehlt.

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Realität wird vorwiegend aus zweiter Hand erfahren

Der pädagogische Begriff „Umgang“ geht auf Herbart zurück. Umgang ist „eine rechte Quelle für das Mitgefühl und die Teilnahme“ und damit zusammenhängend charakterbildend. Außerdem fördert der Umgang das Naturverständnis (Rein 1909, 370). Unbestritten ist, dass „Umgang mit der Sache“ interessefördernd ist. In neuerer Zeit wird der Begriff durch „Umgang mit der Sache“ zu einer didaktischen Kategorie. Langeveld (1961, 127) fasst die sozialen Ziele des „Umgangs“ zusammen: „Wer mit anderen umgeht, erstrebt wechselseitiges Verstehen, gleiche Ausrichtung im Denken, Tun und Fühlen, kurzum Einvernehmen, Harmonie und Zusammengehörigkeit“. In der Physikdidaktik hat Wagenschein (1976, 119 ff.) „Physik als bildender Umgang mit der Natur“ postuliert auf dem Hintergrund der Bildungstheorie. Neuerdings erlangt „Umgang“ im Hinblick auf die Umwelterziehung neue Aktualität, wenn ein dialogisches Verhältnis zwischen Subjekt und Objekt gefordert wird. Wir verwenden im Folgenden diesen Ausdruck, um humanes Lernen in seiner wesentlichen Ausprägung im Physikunterricht zu charakterisieren. 2. Die physikalischen Objekte der Schulphysik sind im Allgemeinen greifbar und mit der menschlichen Erfahrung der Lebenswelt verbunden: die alte Glühlampe und die moderne Energiesparlampe oder das Metronom. Das Metronom aus dem Musikunterricht können wir beispielsweise als Zeitmesser bei der Einführung des physikalischen Begriffs „Geschwindigkeit“ mindestens genau so gut verwenden wie eine Stoppuhr und besser als eine elektronische Uhr, obwohl wir mit dieser auf eine hunderttausendstel Sekunde genau messen können. Aber das Metronom ist immerhin zuverlässiger als unser Pulsschlag und deutlicher wahrnehmbar als dieser. Der Pendelschlag ist unübersehbar, unüberhörbar, alle Schüler können sich an der Zeitmessung beteiligen. Das Metronom ist dann ein didaktisch relevantes Messgerät, wenn ein bewegtes Objekt sich hinreichend langsam fortbewegt, so dass man dessen Änderung im Raum, zwischen zwei Taktschlägen leicht verfolgen kann. Münzen, kleine Gewichtstücke oder Kastanien können den jeweils zurückgelegten Weg markieren. Ein anderes Beispiel: Wir bauen aus unserem Klassenzimmer, wie schon von Wagenschein vorgeschlagen, eine „camera obscura“, eine „Loch-

Geräte aus der Lebenswelt

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1 Warum Physikunterricht? kamera“, die uns ein scharfes Panoramabild des nahen Berges liefert, genauso auf dem Kopf stehend wie bei einem Dia, aber ganz ohne Linse. Schön u.a. (2003) haben zahlreiche weitere Beispiele aus der Optik publiziert.

Realitätserfahrung soll mit Kopf, Herz und Hand gewonnen und zugänglich werden

„Viele der Gegenstände, an denen eine naturwissenschaftlich orientierte Betrachtung anhebt, sind von einem Hof ästhetisch-sinnlicher Bedeutungen umgeben“ (Schreier 1994, 29). Neue Realitätserfahrungen sollen mit Kopf, Herz und Hand gewonnen werden.

Umgang mit den Dingen fördert Sensibilität und Empathie

Umgang mit den Dingen kann also nicht nur die Entwicklung einer sachgebundenen Sensibilität und Empathie fördern, sondern auch individuelle und soziale Empfindsamkeit und individuelles und soziales Einfühlungsvermögen. Daraus kann individuelles Interesse entstehen, personale Identität, Kompetenz und Selbstbewusstsein gewonnen werden. Es kann sich in einer Lerngruppe oder in der Klassengemeinschaft ein „Wir-Gefühl“ entfalten, das die Auseinandersetzung mit der Realität zu einer gemeinsamen Angelegenheit, zu einem unvergesslichen Erlebnis der Schulzeit werden lässt, aus der sich soziale Identität entwickeln kann.

Umgang mit den Dingen kann zu Respekt und Ehrfurcht führen

4. Die sachgebundene Sensibilität, die der Umgang mit den Dingen hervorrufen kann, lässt auch die Eigenständigkeit und die Fremdheit der Dinge gewahr werden, lässt die gewaltige „Autorität der Natur“ in kosmischen wie in submikroskopischen Bereichen empfinden, erahnen. In die Beschreibungen vieler Naturwissenschaftler mischen sich Gefühle der Erhabenheit, der Ehrfurcht vor den Phänomenen, Glücksgefühle, ein kleines oder großes Stück der Realität verstanden zu haben. Dies kann zu Respekt und Ehrfurcht führen wie bei Einstein, der schließlich voll Erstaunen feststellt: Das Unbegreiflichste an der Wirklichkeit ist ihre Begreifbarkeit.

3. Umgang mit den Dingen der Realität bedeutet deren Eigenart hervorkommen, sich entfalten lassen, als ästhetische Phänomene wirken, faszinieren lassen. Solche ganz unphysikalischen Auswirkungen können bei einzelnen Schülern etwa bei der Beobachtung der brownschen Molekularbewegung mit dem Schülermikroskop auftreten oder bei allen Schülern einer Klasse, wenn dieses Teilchengewimmel auf die Wand projiziert wird und Überraschung, Freude an diesem Phänomen und dadurch Dialoge, Kommunikation zwischen den Schülern auslöst, nicht nur physikalische.

5. Mit der belebten Natur, mit höherentwickelten Tieren und Pflanzen findet fraglos pädagogischer Umgang statt. Umgang auch mit

1.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

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niederen Lebewesen, mit der toten Materie, mit der sich der Physikunterricht vorwiegend beschäftigt? Polanyi (1985) und Jonas (1984) argumentieren, dass wir auch gegenüber der unbelebten Natur eine ursprüngliche Verantwortung haben, mit dieser verantwortungsvoll umgehen müssen. Polanyi (1985, 83) verweist darauf, dass die tote Materie Lebendiges aus sich entstehen lässt und die Materie dadurch ihren ursprünglichen Sinn erhält. Jonas (1984, 147). erkennt in der vorbewussten Natur eine nicht partikuläre und nicht willkürliche „Subjektivität der Natur“. Aufgrund dieser Subjektivität der toten Materie ist ein „Heischen der Sache“ möglich, das Verantwortungsgefühl und einen verantwortungsvollen Umgang mit der Sache hervorruft (Jonas 1984, 174 ff.).

Wir haben auch gegenüber der unbelebten Natur eine ursprüngliche Verantwortung

1.4.3 Begegnung mit den Dingen der Realität in der Schulphysik 1. Bildung wird üblicherweise als ein kontinuierlicher Vorgang betrachtet, der sich über ein Menschenleben erstreckt. Aus der Zeit der Aufklärung stammt die Vorstellung, dass der Lehrer als ein Handwerker betrachtet wird, der durch „planmäßige Anwendung der richtigen Methoden,.. bei hinreichender Ausdauer und hinreichender Materialkenntnis schließlich mit Sicherheit auch das gewünschte Ergebnis erzielt. .. Die Ethik lieferte die Ziele, .. die Psychologie dagegen die notwendige Kenntnis des Materials“ (Bollnow 1959, 17). Diese Auffassung wurde im 19. Jahrhundert abgelöst von der Vorstellung, dass Erziehung eine Kunst des Pflegens, des Nicht-Störens, des Wachsen-Lassens sei. Die Rolle des Lehrers ist die eines Gärtners, der vor allem darauf achten muss, dass die im Innern des Menschen angelegte Entwicklung zur Entfaltung kommen kann, diese nicht stört oder behindert. So sehr sich diese beiden Grundauffassungen auch in ihren unterrichtlichen Konsequenzen unterscheiden, so ist ihnen doch gemeinsam, dass die menschliche Entwicklung stetig verläuft mit allmählicher Vervollkommnung (s. Bollnow 1959, 18).

Bildung und Erziehung verläuft stetig: eine Kunst des Pflegens, des Wachsen-Lassens

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden von Buber und Copei menschliche Verhaltensänderungen betrachtet, die durch unstetige Ereignisse hervorgerufen werden. Buber betrachtete die „Begegnung“ zwischen Menschen als potentiell prägend für deren Verhalten in der Zukunft. Copei (1950) beschrieb und analysierte den „fruchtbaren Moment“ im Bildungsprozess, der sich in der Auseinandersetzung mit den Dingen der Realität ereignen kann. In beiden Begriffen steckt das Aktuale, das Zufällige, das Unstetige das Kurzzeitige, genau genommen, das Zeit-lose.

Bildung und Erziehung verlaufen unstetig: durch Begegnungen und fruchtbare Momente

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Die „Begegnung“ mit der Realität kann zu neuen tiefen Einsichten führen

1 Warum Physikunterricht? Bollnow (1959) folgend geht eine besonders nachhaltige erzieherische und bildende Wirkung durch „Begegnungen“ und „fruchtbare Momente“ erfolgt. Dazu muss der Mensch sich so dem Gegenstand widmen., „dass er dessen Seinswirklichkeit erfährt“ (Häußling 1978, 116). Bezogen auf den Physikunterricht bedeutet das: In fruchtbaren Momenten, die durch den Umgang mit den Dingen entstehen können, erfolgen Erschütterungen, Krisen und in deren Gefolge möglicherweise Umstrukturierungen des bisherigen Wissens und bisheriger Einstellungen. Diese „Begegnung“ mit der Realität kann zu neuen Einsichten führen, zu einem Übergang auf eine höhere Erkenntnisebene; die „Begegnung“ kann Weltbilder und Lebensstile ändern. Die neue Einsicht kommt plötzlich, es fällt einem „wie Schuppen von den Augen“ und kann spezielle Probleme der Physik ebenso betreffen wie die gesamte Physik bzw. die Naturwissenschaften. Begegnung findet erst statt, „wenn der Mensch es ist, der mit der Wirklichkeit zusammentrifft“ (Guardini 1956, 11). In dieser Situation „wird das Dasein voll, reich, heil“ (Guardini 1956, 18). 2. Wir verwenden den Ausdruck „Begegnung“ sowohl für die skizzierten existentiellen Situationen als auch für die weniger affektbeladene, sehr „sachintensive“ Situation des „fruchtbaren Momentes“, der zu einem sogenannten „Aha-Erlebnis“ führt.

Die existentielle Begegnung ist nicht methodisierbar

Die existentielle Begegnung hängt von Unwägbarkeiten ab und wird nicht aus einzelnen Stücken zusammengesetzt, „sondern tritt hervor in den tausend Momenten, aus denen sie besteht“ (Guardini, 1956, 16). Da die klügste Auswahl und die sorgfältigste Vorbereitung fragmentarisch und grob bleiben „gegenüber der Vielfalt und sensiblen Beweglichkeit eines echten Situationsgefüges“ (Guardini 1956, 17), das die existentielle Begegnung als Voraussetzung benötigt, ist diese besondere pädagogische Situation nicht methodisierbar.

Begegnung: • Freiheit des Subjekts bei der Wahl des Objekts • Offenheit der pädagogischen Situation

Zur Begegnung gehört die Freiheit des Subjekts bei der Wahl des Objekts und die Offenheit der pädagogischen Situation. Charakteristisch ist ferner die Ambivalenz der existentiellen Begegnung hinsichtlich ihrer Wirkungen. Denn neben den möglichen bedeutenden „Lernsprüngen“ in eine andere Perspektive, in ein neues Weltbild, können Schülerinnen und Schüler an und in dieser herausgehobenen Situation scheitern mit negativen Folgen für die Persönlichkeitsentwicklung. Aus den Merkmalen der existentiellen Begegnung ist ersichtlich, dass eine solche für den Betroffenen sehr wichtige, vielleicht entscheidende Lebenssituation im Physikunterricht selten vorkommt. Im Falle ihres Eintreffens kann es dazu führen, sich lebenslang für die Beschäftigung mit der Physik zu entscheiden oder

1.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts 2065 2066 2067 2068 2069 2070 2071 2072 2073 2074 2075 2076 2077 2078 2079 2080 2081 2082 2083 2084 2085 2086 2087 2088 2089 2090 2091 2092 2093 2094 2095 2096 2097 2098 2099 2100 2101 2102 2103 2104 2105 2106 2107

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aber diesen Zugang zur Wirklichkeit abzulehnen, aufgrund des Scheiterns im Moment der Begegnung. Guardini (1956) spricht auch dann von Begegnung, wenn das Existentielle, das notwendig Krisenhafte, die Ausschließlichkeit dieser Situation fehlt und bloß eine besonders intensive Beschäftigung mit den Dingen der Realität und deren Interpretationen durch die Naturwissenschaften vorliegt. Auch hierbei werden Emotionen geweckt, wird intensives Handeln, Forschen ausgelöst, ein „Ethos der Sachgerechtigkeit und der Sachfreudigkeit“ (Guardini 1953, 42), bis vielleicht in einem „fruchtbaren Moment“ die neue Einsicht plötzlich, wie aus „heiterem Himmel“ den Lernenden überkommt: In der Pädagogik wird von einem „Aha-Erlebnis“ gesprochen. Copei (1950, 103 f.) hat dies am Beispiel „Milchdose“ gezeigt. Genetisch unterrichtende Lehrer zeigen tagtäglich, dass diese Art der Begegnung ein wesentliches Element der Physikdidaktik und Physikmethodik ist. Wagenschein (1965, 229) schreibt darüber: „Je tiefer man sich in ein Fach versenkt, desto notwendiger lösen sich die Wände des Faches von selber auf, und man erreicht die kommunizierende, die humanisierende Tiefe, in welcher wir als ganze Menschen wurzeln, und so berührt, erschüttert, verwandelt und also gebildet werden“.

Begegnung als „fruchtbarer Moment“ und „Aha-Erlebnis“ ist ein wesentliches Element der Physikdidaktik und Physikmethodik

3. Für den Physikunterricht können folgende didaktischen Aspekte einer „Begegnung“ bedeutsam werden: 1.

Die Bewährung in existentieller oder in „sachintensiver“ Situation, wenn Lernende mit einem physikalischen Gegenstand „ringen“, diesen zu begreifen und zu verstehen versuchen. Letzteres gelingt nur durch methodische Sauberkeit, d. h. physikalische Methoden sind als Voraussetzung gefordert bzw. werden in dieser Situation gefördert.

2.

Die humane Bewältigung einer solchen Situation, wenn Schwierigkeiten auftauchen, aber auch wenn die Situation erfolgreich gemeistert wurde. Es werden Dispositionen wie wissenschaftliche Ehrlichkeit und Bescheidenheit gefördert.

3.

Die Erfahrung von Grenzen in dieser Situation. Es sind kognitive, affektive, psychomotorische Grenzen des Individuums und der Lerngruppe gemeint. Das heißt es stehen die personale und soziale Identität auf dem Prüfstand.

1.4.4 Schülervorstellungen und humanes Lernen 1. Weltbilder und Alltagsvorstellungen von Kindern und Jugendlichen beeinflussen das Lernen der Naturwissenschaften, so wie die Weltbilder von Lehrern und Physikern deren Auffassungen über Naturwissenschaften mitbestimmt haben und mitbestimmen.

Bewährung in existentiellen oder „sachintensiven“ Situationen

Erfahrung von Grenzen

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1 Warum Physikunterricht? Nicht nach einem allumfassenden Weltbild der Kinder, sondern spezifischer nach deren „Einstellungen, Denkmitteln und Erklärungsansätzen über physikalische Erscheinungen“, forschte Agnes Banholzer im Rahmen ihrer Dissertation (1936) bei Schülern zwischen 6 und 14 Jahren. Mitte der siebziger Jahre wurde weltweit begonnen, diese „Alltagsvorstellungen“ der Schüler systematisch zu erfassen, die auch als „Schülervorstellungen“ und „Schülervorverständnis“ (Schecker 1985) bezeichnet werden. Anlass waren damals in erster Linie Befragungen von Lehramtsstudenten (Wagenschein) und anderen jungen Erwachsenen (Daumenlang 1969), durch die manifest wurde, dass Erwachsene trotz langjährigem Unterricht nur ein geringes physikalisches Wissen über Alltagserscheinungen (z. B. die Mondphasen) und über Alltagsdinge (z. B. Fahrraddynamo) aufwiesen.

Erwachsene haben nur ein geringes physikalisches Wissen über Alltagserscheinungen Die Kenntnis von Schülervorstellungen ist die wichtigste Lernvoraussetzung

Fragt man nach den Ursachen der Alltagsvorstellungen, so macht man derzeit vor allem die Umgangssprache (z. B. „Stromverbrauch“) und die Strukturen der Lebenswelt dafür verantwortlich. Außerdem können angeborene oder erworbene Wahrnehmungs- und Denkmuster die Schülervorstellungen beeinflussen oder prägen. In der Arbeitsgruppe „Schülervorstellungen“ am IPN um die Chemiedidaktikerin Helga Pfundt spielte von Anfang an der Aspekt des humanen Lernens eine wichtige Rolle, d. h. der Umgang mit den Alltagsvorstellungen durch Lehrerinnen und Lehrer (s. Kircher 1998). Das intuitive Erahnen der Schülervorstellungen oder deren explizite Kenntnis als wichtige Voraussetzung für genetisches Unterrichten. Aufgrund der weltweiten Untersuchungen (Duit 2004) ist für viele Bereiche der Schulphysik diese Art der Lernvoraussetzungen bekannt. Daher ist es notwendig, diese Untersuchungsergebnisse für die Schulpraxis bereitzustellen und sie dort unmittelbar über entsprechende Unterrichtsmaterialien oder mittelbar über die Lehrerbildung zu verbreiten (s. Häußler u. a. 1998). Wie sollen Lehrkräfte auf Schülervorstellungen reagieren? Man kann diesbezüglich von „unmittelbaren“ und „mittelbaren“ Methoden sprechen. Bei den unmittelbaren Methoden wird das Lernproblem „Alltagsvorstellungen“ ausdrücklich thematisiert. Diese alternativen „Theorien“ über naturwissenschaftliche Phänomene werden aus den Schülern herausgelockt, von den Schülern erläutert und weiter ausgearbeitet, auch unter Einbeziehung von Versuchen. Nun präsentiert der Lehrer das wissenschaftliche Weltbild. Aufgrund von Widersprüchen bei Voraussagen und Erklärungen sind die Schüler dann bereit, die wissenschaftlichen Vorstellungen zu akzeptieren und zu übernehmen. Ich habe meine Zweifel, ob ein solcher Pa-

1.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts 2151 2152 2153 2154 2155 2156 2157 2158 2159 2160 2161 2162 2163 2164 2165 2166 2167 2168 2169 2170 2171 2172 2173 2174 2175 2176 2177 2178 2179 2180 2181 2182 2183 2184 2185 2186 2187 2188 2189 2190 2191 2192 2193

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radigmawechsel, die Übernahme eines ungewohnten, nicht vertrauten Weltbildes nach einem solchen „rationalistischen“ Schema abläuft. Werden die Schüler bei solchen „unmittelbaren Methoden“ nicht genauso (häufig) resignieren oder sich (häufig) anpassen oder (selten) rebellieren wie im traditionellen Unterricht? Wagenschein (19764, 175 f.) hat ein anderes Lehrerverhalten beschrieben, das man „sokratisch“ (Wagenschein 1968) nennen kann. Der Lehrer ist dabei kein omnipotenter Wissensvermittler, kein Instruktor, sondern der Moderator für Lernprozesse und der einfühlsame Erzieher.

Lehrer als Moderator

2. Wie soll der Lehrer mit Fragen umgehen, Fragen hinter denen bestimmte Vorstellungen oder gar Weltbilder stehen? Wagenschein (19764, 170 f.) gibt folgenden Rat: • „1. die Frage des Kindes an die Kindergruppe weiterzugeben, so dass sie von ihr soweit wie möglich geklärt wird; • 2. in der Naturbetrachtung außerdem die Frage an die Dinge weiterzugeben, (‚das könnt ihr vielleicht selbst herausfinden.‘ Diese Bemerkung wird die Kinder ebenso locken wie der Vorschlag, ‚da müssen wir die Dinge selber fragen‘...)“ Weitere Hinweise für Lehrerverhalten: Fragen und Probleme für alle Kinder verständlich machen durch Dialoge zwischen Kindern. Die Entstehung eines neuen (physikalischen) Weltbildes verlangsamen, den Kindern „Zeit lassen“ für neue und neuartige Lernprozesse, zum Beispiel im Zusammenhang mit dem neuartigen naturwissenschaftlichen Zugang zur Welt: dem faszinierenden Wechselspiel von Hypothese und Experiment. Innehalten und darüber nachdenken, was nun anders, nicht zuerst, was besser ist als bisher. Wenn überhaupt, dann behutsam, unmerklich führen und vor allem wachsen lassen. Dieses sind Merkmale eines genetischen Unterrichts (ausführlicher s. 4.2.2). Martin Wagenschein hat dabei auch in Kauf genommen, dass originelle Wortschöpfungen der Kinder als Fachausdrücke wochen-, monatelang weiter verwendet werden. Warum soll man nicht gegen die Umgangssprache etwa von „Stromgebrauch“ reden, wenn deutlich geworden ist, dass „Strom“ kein „Ding“ sondern ein „Vorgang“ ist („Es muss sich etwas bewegen“) und dass im Lämpchen keine „Stromteilchen“ vernichtet oder verwandelt werden. Stromteilchen werden gebraucht, damit man von „Strom“ reden kann, eben dann, wenn diese sich im „Kreis“ bewegen. Sie sind gebraucht, wenn sie das Lämpchen verlassen, so wie die Schulbücher, die am Ende des Schuljahrs „gebraucht sind“, ohne dass (hoffentlich) auch nur ein Wort im Buch fehlt. Wie in empirischen Untersuchungen gezeigt wurde (Grygier, Günther & Kircher 2004),

Umgang mit Schülervorstellungen

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1 Warum Physikunterricht? können Grundschulkinder mit Hilfe gespielter Analogien die Unterschiede zwischen solchen Vergleichen und den Dingen erkennen. Sie können frei über Sinn und Nutzen solcher Illustrationen reden. Dabei lernen die Kinder auch über die Natur der Naturwissenschaften.Die Thematisierung der „letzten Dingen“ der Physik ist in der Primarstufe noch umstritten. Soll man über „Dinge“ wie die Elektronen reden, von deren Existenz wir nur mittelbare Hinweise besitzen? Andererseits kommen den Kindern solche Ausdrücke aus dem Fernsehen, aus populärwissenschaftlichen Büchern, durch Familienmitglieder oder Freunde in die Quere. Und in diesem Falle, wenn die Kinder darüber stolpern und stürzen, sollte es keine didaktische Doktrin geben, die dieses Menschenrecht, die Suche nach Wahrheit, verbietet. Nicht nur in den Biografien berühmter Naturwissenschaftler finden sich Hinweise, dass ein „Keim“ dafür sich bereits im Grundschulalter bilden kann. In einem DFG-Projekt (2000 – 2006) wurde nachgewiesen, dass bereits Grundschulkindern ein gewisses Verständnis der „Natur der Naturwissenschaften“ vermittelt werden kann (Sodian u.a. 2002; Grygier 2008).

1.4.5 Zusammenfassung Humanes Lernen im Physikunterricht wird durch die Begriffe „Umgang“, „Begegnung“ und „Alltagsvorstellungen“ beschrieben. 1. Umgang mit den Dingen der Realität und der dabei stattfindende soziale Umgang der Beteiligten (Schüler, Lehrer) sind eine notwendige Voraussetzung für allgemeinbildende Ziele wie etwa die Findung der personalen und sozialen Identität bzw. damit zusammenhängend die individuelle und soziale Kompetenz junger Menschen. Umgang mit den Dingen der Realität ist auch eine notwendige Voraussetzung für das Lernen der Physik. Es wird dabei jenes „implizite Wissen“ (Polanyi 1985) erzeugt, das die Grundlage für subjektiv oder objektiv neues Wissen ist. Umgang mit den Dingen der Realität schafft Empathie und auch Sensibilität für die bewusste und vorbewusste Realität. Solcher Umgang erscheint notwendig, um neue Verantwortlichkeit und neue Verhaltensweisen zu evozieren, um die in Abschnitt 1.3 thematisierte Umwelterziehung und die Erziehung zur Nachhaltigkeit über bloß verbales Wissen hinauszuführen. 2. Besonders intensives und effektives Lernen erfolgt in der „Begegnung“ mit den Dingen der Realität. Solche existentiellen bzw. sachintensiven Situationen können sich auch im Physikunterricht ereig-

1.5 Grundlagen dieser Physikdidaktik 2237 2238 2239 2240 2241 2242 2243 2244 2245 2246 2247 2248 2249 2250 2251 2252 2253 2254 2255 2256 2257 2258 2259 2260 2261 2262 2263 2264 2265 2266 2267 2268 2269 2270 2271 2272 2273 2274 2275 2276 2277 2278 2279

nen. Von Wagenschein (1968) wird die Auffassung vertreten, dass nur in solchen Momenten „Verstehen“ und damit zusammenhängend „Bildung“ erfolgt. Eine „Begegnung“ kann durch sehr intensive Beschäftigung mit den Dingen der Realität und durch geeignetes Lehrerverhalten vorbereitet oder angeregt werden. 3. Humanes Lernen und genetisches Lernen hängen eng zusammen. Komponenten eines solchen Unterrichts sind der Umgang und die Möglichkeit einer Begegnung mit den Dingen der Realität, sowie die Orientierung an den vorgängigen bzw. sich im Unterricht entwickelnden Vorstellungen und Weltbilder der Lernenden. Diese Komponenten sind notwendige aber nicht hinreichende Voraussetzungen (s. dazu den „sokratischen Eid“ v. Hentig 19943, 258 f.). 4. Wie insbesondere aus der Religionsgeschichte bekannt, können existentielle Begegnungen zu grundlegenden Verhaltensänderungen von Individuen führen. Im Untericht kommt unstetigen Lernvorgängen in der Situation der Begegnung eine große Bedeutung zu: für das Verstehen, für das Sachinteresse, für Einstellungen gegenüber den Naturwissenschaften. Ich sehe die Notwendigkeit, diese Art des Lernens wieder in der Lehrerbildung zu thematisieren.

1.5 Grundlagen dieser Physikdidaktik 1.5.1 Dimensionen der Physikdidaktik Humanistische und pragmatische Zielsetzungen scheinen sich zu widersprechen: einerseits die Suche nach Wahrheit, nach Objektivem, als etwas Zeitübergreifendem, andererseits Erwerb und Verwertung von Wissen für den subjektiven Augenblick und für den späteren Beruf. Außerdem erhebt sich die Frage, ob das Prinzip „Verantwortung“ als eine diese beiden Zielvorstellungen übergreifende Leitidee des naturwissenschaftlichen Unterrichts zu verstehen ist. Bisher wird die Frage nach dem Verhältnis von humanistischen und pragmatischen Zielvorstellungen in unserer Kultur so beantwortet, dass humanistischen Zielvorstellungen Priorität zukommt. Die primäre Absicht des naturwissenschaftlichen Unterrichts ist nicht, wie Wissen und Können später verwertet werden können, sondern die Weiterführung der abendländischen Tradition auch mittels naturwissenschaftlicher Methodologie nach Wahrheit zu suchen. Bisher war der „Wille zur Wahrheit“ (vgl. v. Hentig 1966, 90), das den „ver-

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1 Warum Physikunterricht? schiedenen humanistischen Bewegungen in der Geschichte ... gemeinsame Kennzeichen“ (v. Hentig 1966, 90), in einer hierarchischen Anordnung an die Spitze der Zielvorstellungen des naturwissenschaftlichen Unterrichts gestellt. Diese Leitidee wird pragmatisch modifiziert und abgeändert, wenn gute Gründe dafür vorliegen. Dabei werden vor allem solche Gründe akzeptiert, die den Schüler selbst betreffen: seine Interessen, seine Lernvoraussetzungen, seine Rechte als Mensch und künftig mündiger Bürger, seine Pflicht zur lokalen und globalen Verantwortung. Auf die bisherigen Erörterungen aufbauend wird versucht, eine zeitgemäße Physik- bzw. Naturwissenschaftsdidaktik näher zu bestimmen, die die bildungstheoretische und die us-amerikanische pragmatische Tradition integriert (s.1.1). 1. Die drei Dimensionen eines „physikdidaktischen Dreiecks“: Die in Abb. 1.3 formulierte Leitidee „Humanes Lernen der Physik“, die den Unterricht prägen soll, meint neben den verschiedenen Aspekten von „Umgang“ auch die Möglichkeit einer „Begegnung“. Lernen in der Situation der „Begegnung“ ist unstetig, sprunghaft, nicht methodisierbar, aber doch nur, wenn überhaupt, durch „methodische Sauberkeit“ etwa beim Experimentieren zu erreichen.

Humanes Lernen der Physik Disziplinarität der Physik begriffliche Struktur methodische Struktur Meta-Struktur der Physik

Gesellschaftlichkeit der Physik

physikalischtechnische Objekte physikalischtechnische Verfahren wissenschaftsethische Reflexion

Abb. 1.3: Dimensionen des Physikunterrichts „Begegnung“ soll betroffen machen, Einstellungen erzeugen, die zu Verhaltensänderungen führen

„Begegnung ist nicht sachliches Kennenlernen eines bisher noch Unbekannten, sondern betont demgegenüber das Moment der persönlichen Betroffenheit“ (Bollnow 1959, 129). Physikunterricht muss auch betroffen machen können und darüber hinaus durch innere Erschütterung verwandeln. Diese „Verwandlung“ soll nicht nur bildend wirken, wie von Wagenschein (1965, 229) argumentiert,

1.5 Grundlagen dieser Physikdidaktik 2323 2324 2325 2326 2327 2328 2329 2330 2331 2332 2333 2334 2335 2336 2337 2338 2339 2340 2341 2342 2343 2344 2345 2346 2347 2348 2349 2350 2351 2352 2353 2354 2355 2356 2357 2358 2359 2360 2361 2362 2363 2364 2365

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sondern soll Einstellungen erzeugen, die zu persönlichen Verhaltensänderungen führen, die über den Unterricht und über die Schulzeit hinausreichen. Schon Klafki (1963, 62) spricht von „exemplarischen Ernsterfahrungen“ und „echtem Engagement“, die von Bildungseinrichtungen ausgehen sollen. Im Zusammenhang mit dem naturwissenschaftlichen Unterricht ist dabei an die nachhaltige Nutzung der Ressourcen, an traditionellen und modernen Natur- und Umweltschutz im Alltag und im Beruf zu denken, an die Nutzung neuer Medien in der Freizeit und im Beruf. Der Begriff „Umgang“ beschreibt das wechselseitige Verhältnis zwischen Lehrer und Schüler, zwischen den Schülern und schließlich als spezifisch naturwissenschaftsdidaktische Kategorie die Relation zwischen Lernenden und den Dingen der Realität. Der pädagogische „Umgang“ bedeutet gegenseitiges, offenes, partnerschaftliches respektvolles Verhalten, etwa auch gegenüber den in naturwissenschaftlicher Hinsicht unvollständigen, häufig unangemessenen Alltagsvorstellungen der Schüler. „Umgang“ mit der Realität schafft Interesse, aber auch Vorerfahrungen und Vorverständnisse. Schließlich führt der Umgang mit der Realität dazu, ein persönliches Verhältnis zu „bloßen“ Objekten herzustellen, diese zu schätzen, wegen deren Wert, etwa im Hinblick auf Entstehung und im Hinblick auf mutmaßliche Vergänglichkeit, d. h. Entwertung oder Vernichtung in endlicher Zeit. Eine solche Wertschätzung ist gegenwärtig in der Naturwissenschaftsdidaktik auf biologische Objekte beschränkt, während bei physikalischen oder chemischen Objekten noch überwiegend deren Warencharakter dominiert.

Pädagogischer „Umgang“

Durch die kategoriale didaktische Bedeutung von „Umgang“ und „Begegnung“ wird das auf den ersten Blick anscheinend Methodische zur pädagogischen Dimension, der Priorität vor der physikalischen und der gesellschaftlichen Dimension zukommt. Das bedeutet auch, dass diese pädagogische Dimension nicht zuletzt die Funktion hat, die Lernenden vor bildenden und verantwortungsfördernden thematischen Bereichen zu schützen, wenn diese das „Kindgemäße ins Gedränge bringen“ (Langeveld 1961, 59).

Die pädagogische Dimension hat Priorität vor der physikalischen und der gesellschaftlichen Dimension

2. Die „Disziplinarität der Physik“ beinhaltet im engeren Sinne die physikalische Dimension, d. h. die begriffliche und methodische Struktur der Physik ( s. Abschnitt 1.2).

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Relevante begriffliche und methodische Strukturen exemplarisch lernen

1 Warum Physikunterricht? Zur begrifflichen Struktur der Physik zählen nicht nur Axiome, Definitionen, Gesetze, Theorien, Basisgrößen, Naturkonstanten, sondern auch mathematische Theorien, protophysikalische und umgangssprachliche Begriffe. Bei der methodischen Struktur lassen sich unterscheiden (Jung 19992, 19): 1. Allgemeine Verfahren a) Verfahren des Experimentierens b) Verfahren des Theoretisierens 2. Spezielle Verfahren. Im weiteren Sinn schließt die „Disziplinarität des Faches“ auch „über Natur der Naturwissenschaften lernen“ ein, d. h. erkenntnisund wissenschaftstheoretische, wissenschaftshistorische, sowie wissenschaftssoziologische Aspekte. Sie werden als „Metastruktur“ der Physik bezeichnet:

„Metastruktur“ der Physik

1.

Physikalische Methoden und ihre Entwicklung a) Wissenschaftstheoretische Reflexion der Physik b) Physikalische Erkenntnis im Lichte spezieller Erkenntnistheorien

2.

Physikalische Begriffe und ihre Entwicklung a) Wissenschaftstheoretische Reflexion der begrifflichen Struktur b) Historische Entwicklung der begrifflichen Struktur.

Die wissenschaftssoziologischen Aspekte des Physikunterrichts wurden bisher im Physikunterricht wenig berücksichtigt. Es ist z. B. an folgende thematischen Bereiche zu denken: • Physiker in der „wissenschaftlichen Gemeinschaft“ (s. Kuhn 19762) • Physik und deren Verwertung in der Gesellschaft • Gesellschaft und deren Einstellung zur Physik (den Naturwissenschaften) • Physik und Politik • Physik und Kunst. Die oben skizzierten erkenntnis-wissenschaftstheoretischen und die wissenschaftssoziologischen Aspekte der Physik weisen diese vor allem als gesellschaftlich bedingtes Kulturgut aus. 3. In jeder Lebenswelt des Menschen werden materielle Gegenstände, Ereignisse, Tatbestände zu Natur-, Sozial- und Kulturwelten (vgl. Schütz & Luckmann 1979). In der von der Technik geprägten neuzeitlichen Lebenswelt kann sich der Physikunterricht nicht mehr darauf beschränken, nur die

1.5 Grundlagen dieser Physikdidaktik 2409 2410 2411 2412 2413 2414 2415 2416 2417 2418 2419 2420 2421 2422 2423 2424 2425 2426 2427 2428 2429 2430 2431 2432 2433 2434 2435 2436 2437 2438 2439 2440 2441 2442 2443 2444 2445 2446 2447 2448 2449 2450 2451

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Naturwelt zu beschreiben, zu interpretieren, fortzuführen, denn Sozial- und Kulturwelt sind heutzutage zu eng mit der Technik verknüpft. Die mit der Sozial- und Kulturwelt traditionell befassten Unterrichtsfächer sollen durch die Naturwissenschaften nicht verdrängt, sondern in gemeinsamen Projekten integriert werden, wenn dies erforderlich ist. Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts befasst sich im engeren Sinne mit technischen Anwendungen der Naturwissenschaften und ihren Auswirkungen auf die Menschen, insbesondere auf die Schüler. Dazu ist es zunächst nötig, Objektstrukturen der technischen Gesellschaft kennen zu lernen, zu bedienen, zu beherrschen..

Einstellungen, Werte, Lebensstil

Diese sind für den Unterricht vor allem so auszuwählen, dass neben gegenwärtig relevanten technischen Produkten auch die zugrunde liegenden Technologien, deren Technikfolgen und implizierte wissenschaftsethische Fragen thematisiert werden (s. Dahncke & Hatlapa 1991), ferner Projekte im Sinne einer Bildung der Nachhaltigkeit.

Bildung der Nachhaltigkeit

Die positive Seite der Technikfolgen sind individuelle und gesellschaftliche Prosperität mit der Folge einer ganzen Reihe von Annehmlichkeiten bzw. Bequemlichkeiten, wie z. B. die Ausweitung der Freizeit. Die negative Seite der Technikfolgen, letztlich die Bedrohung des Lebens auf unserem Planeten, hat bisher zwar zu Aufklärung, aber kaum zu durchgreifenden Handlungskonsequenzen geführt, weder auf der Ebene gesellschaftlich-politischer Institutionen, noch auf der Ebene individuellen Verhaltens. Der naturwissenschaftliche Unterricht muss zur Verantwortung gegenüber der Umwelt und zu einer Veränderung des individuellen Verhaltens beitragen, so dass die Menschheit zwar bescheidener, aber „human“ überleben kann. Hier deutet sich ein Verständnis der Physik- bzw. der Naturwissenschaftsdidaktik an, das die wissenschaftsethischen Implikationen der Naturwissenschaften, hier subsumiert unter „Prinzip Verantwortung“, als zumindest gleichrangige Leitidee neben Wagenscheins Position einer „Wahrheitssuche“ (19764, 307 ff.) stellt.

1.5.2 Leitideen, physikdidaktische Dimensionen und methodische Prinzipien Die bisher diskutierten fachdidaktischen Zielkategorien stehen in einem Zusammenhang mit allgemeinen schulischen Leitideen. Diese bilden die Grundlage der „physikdidaktischen Dimensionen“ Das heißt, man kann diese als Implikationen der folgenden Leitideen auffassen (s. Abb. 1.4): • Humane Schule • Suche nach Wahrheit • Verantwortung gegenüber Gesellschaft und Realität

Positive und negative Folgen der Technik

Prinzip Verantwortung als Leitidee des naturwissenschaftlichen Unterrichts

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1 Warum Physikunterricht? Leitideen (Leitbilder)

Humane Schule

Verantwortung gegenüber - Natur - Menschen

Suche nach Wahrheit in der Natur

Physikdidaktische Dimension

Humanität unterrichtlicher Methodik

Disziplinarität der Physik

Methodische Prinzipien

Exemplarischer Unterricht

Gesellschaftlichkeit der Physik

Genetischer Unterricht

Projektunterricht

Abb. 1.4: Leitideen über Schule, physikdidaktische Dimensionen und methodische Prinzipien Diese Vorstellungen über Schule sind nicht neu. Sie haben hier teilweise neue Interpretationen und Konkretisierungen auf einer „mittleren Ebene“ gefunden, der fachdidaktischen. Wie sind diese Vorstellungen auf der fachmethodischen Ebene zu interpretieren? Als „methodische Prinzipien“ werden der genetische Unterricht, der exemplarische Unterricht und der Projektunterricht aufgefasst. Sie sind als Implikationen der Leitideen und der naturwissenschaftsdidaktischen Dimensionen zu verstehen. Methodische Prinzipien

Genetischer Unterricht, bisher im wesentlichen „geborenen Erziehern“ vorbehalten, kann zu einem Unterrichtsverfahren werden, das der Mehrzahl der Lehrer zugänglich ist. Dazu müssen die Ergebnisse

1.5 Grundlagen dieser Physikdidaktik 2495 2496 2497 2498 2499 2500 2501 2502 2503 2504 2505 2506 2507 2508 2509 2510 2511 2512 2513 2514 2515 2516 2517 2518 2519 2520 2521 2522 2523 2524 2525 2526 2527 2528 2529 2530 2531 2532 2533 2534 2535 2536 2537

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des erfolgreichen Forschungsprogramms „Schülervorstellungen“ in der Schulpraxis Eingang finden. Exemplarischer Unterricht soll im Physikunterricht, bzw. dem integrierten naturwissenschaftlichen Unterricht die Möglichkeit schaffen, typische Merkmale der Fachdisziplinen (Biologie, Chemie, Physik) gründlich zu lehren und zu lernen. Durch Projektunterricht sollen Fragestellungen der Lebenswelt, die vor allem aus der Sicht des Schülers bedeutungsvoll sind, Eingang in die Schule finden und dort thematisiert werden. Individualisierter Unterricht hilft alle Schüler zu fördern, die für Naturwissenschaften weniger und die dafür besonders begabten Schüler.

1.5.3 Perspektiven des naturwissenschaftlichen Unterrichts Bei der Erörterung der gesellschaftlichen Dimension verschwimmen die Grenzen zwischen den naturwissenschaftlichen Fächer. 1. Die Interpretation der gesellschaftlichen Dimension des naturwissenschaftlichen Unterrichts ist von der Sorge um unsere Zukunft und die unseres Lebensraumes geprägt. Wenn man die Fernwirkungen naturwissenschaftlicher Techniken bedenkt, muss eine Akzentverschiebung, eine Erweiterung, eine Umstrukturierung des naturwissenschaftlichen Unterrichts stattfinden. Auch eine zeitliche Erweiterung des naturwissenschaftlichen Unterrichts ist nötig, weil angesichts möglicher negativer Auswirkungen der Technik unbedingt Wissen, insbesondere naturwissenschaftliches Wissen erforderlich ist; in der Argumentation von Jonas (1984) ist dies sogar eine moralische Notwendigkeit. Die Interdisziplinarität technischer Projekte und deren gründliche Thematisierung im Unterricht könnte eine gewichtige Begründung für ein Unterrichtsfach „Naturwissenschaften“ werden. Nur bei einer gemeinsamen Anstrengung der drei naturwissenschaftlichen Fächer und mit einem größeren Stundendeputat für den naturwissenschaftlichen Unterricht besteht (m. E.) eine gewisse Aussicht, notwendige Einstellungsänderungen, die Disposition „Verantwortung“ zu evozieren und Änderungen des Lebensstils auch über Bildung (Schule) herbeizuführen. Daneben muss fachtypischer Physik-, Chemie-, und Biologieunterricht bestehen bleiben. Mit der Disposition „Verantwortung“ ist eine zweite wohl ebenfalls gegen Zeitströmungen gerichtete Disposition „Bescheidenheit“ verknüpft. Jonas bezieht dies insbesondere auf materielle Ansprüche und Erwartungen, wie sie in sozialen Utopien

Fernwirkungen naturwissenschaft licher Techniken: Akzentverschiebu ng, Erweiterung, Umstrukturierung des naturwissenschaftlichen Unterrichts Unterrichtsfach „Naturwissenschaften“

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1 Warum Physikunterricht? (z. B. des Marxismus) geweckt werden (s. Jonas 1984, 245 ff.). Angesichts der zur Verfügung stehenden Ressourcen sind bei einer weiter wachsenden Weltbevölkerung die konsumtiven Ansprüche nicht mehr zu verwirklichen, die in der westlichen Zivilisation heutzutage zum Standard gehören. Und wir sollten auf derartige Ansprüche auch dann verzichten, wenn sie in einigen Industriestaaten noch für einige Jahrzehnte realisiert werden könnten. Ein anderer Aspekt der Disposition „Bescheidenheit“ hängt mit der notwendigen Veränderung einseitig anthropozentrischer Einstellungen zusammen: Die Beschäftigung mit unserem wunderbaren, im Universum möglicherweise einmaligen Ökosystem; Umwelterziehung sollte im naturwissenschaftlichen Unterricht mehr als nur aufklärend oder bildend wirken.

Umwelterziehung sollte mehr als nur aufklärend oder bildend wirken „Metastrukturen“ der Physik an konkreten Fällen transparent machen und reflektieren Schülerorientierte, konventionelle Züge des Physikunterrichts müssen fortgeführt, das bisherige Stundendeputat muss erweitert werden

2. Litts bildungstheoretische Begründung für den naturwissenschaftlichen Unterricht, auf die auch heute noch rekurriert wird (Wiesner 1989), ist für sich allein weltfremd, weil zu eng auf das traditionelle Verständnis von „Physik“ bezogen. Bloß philosophische Reflexion genügt nicht angesichts der in alle Bereiche der Lebenswelt eindringenden Technik. Es müssen die mit Naturwissenschaft und Technik zusammenhängenden „Metastrukturen“ (s. 1.2.3) an konkreten Fällen transparent gemacht und reflektiert werden. 3. Die bildungstheoretische Begründung des naturwissenschaftlichen Unterrichts verweist auf ein anderes ursprüngliches Motiv, sich mit der Realität auseinander zu setzen: auf die Suche nach Wahrheit als eines wesentlichen Merkmals der abendländischen Identität. Um diese Identität zu bewahren, müssen schülerorientierte, konventionelle Züge des naturwissenschaftlichen Unterrichts fortgeführt werden in der Art, wie sie Wagenschein für den Physikunterricht beschrieben hat. Diese Betrachtung führt zu einem exemplarischen Unterricht bzw. exemplarischen Projektunterricht. Unter Berücksichtigung bisher beschriebener (u. a. inhaltlicher) Erweiterungen des naturwissenschaftlichen Unterrichts, erscheinen derartige Unterrichtsformen allerdings nur dann realisierbar, wenn das bisherige Stundendeputat für den naturwissenschaftlichen Unterricht erweitert wird. Die Aufgabe des naturwissenschaftlichen Unterrichts besteht auch darin, Schülerinnen und Schüler für die Ambivalenz naturwissenschaftlich-technischer Entwicklungen zu sensibilisieren. Hierfür erscheint beispielsweise ein Einblick in aktuelle Bereiche der na-

1.5 Grundlagen dieser Physikdidaktik 2581 2582 2583 2584 2585 2586 2587 2588 2589 2590 2591 2592 2593 2594 2595 2596 2597 2598 2599 2600 2601 2602 2603 2604 2605 2606 2607 2608 2609 2610 2611 2612 2613 2614 2615 2616 2617 2618 2619 2620 2621 2622 2623

turwissenschaftlichen Forschung durch z.B. Hodson 1988).

75 Laborarbeit geeignet (s.

Zur Aufgabe eines künftigen naturwissenschaftlichen Unterrichts gehört, an einer reflektierten Einführung in die heutige „Erlebniswelt“ mitzuwirken. Dazu gehören Projekte ebenso wie „Spiele“ aller Art (s. 4.1). Das bedeutet, dass dem bisherigen Paradigma der Schule, „Arbeit“, ein Paradigma „Spiel“ an die Seite gestellt werden muss.

Mitwirken an reflektierter Einführung in die heutige „Erlebniswelt“

4. „Umgang“ und „Begegnung“ mit der naturwissenschaftlich zugänglichen Realität gewinnen in Bildung und Erziehung zusätzliche Bedeutung. Dieser Unterricht wirkt kompensatorisch gegenüber den in die Lebenswelt eindringenden, diese bedrängenden Scheinwelten, die vor allem durch Massenmedien erzeugt werden. Massenmedien können bei Kindern ja nicht nur zu psychischen Störungen und Krankheiten führen, sie können auch den Aufbau eines adäquaten und sensitiven Realitätsbezugs verhindern. Ein solcher Realitätsbezug ist ein Regulativ zur vorhandenen „Erlebniswelt“. Er kann davor schützen, dass das Sein des Menschen künftig nicht zu bloßem Dasein verkümmert.

Aufbau eines adäquaten und sensitiven Realitätsbezugs

5. Um inhumanes Lernen zu vermeiden, müssen solche Ziele für den allgemeinbildenden Physikunterricht formuliert und angestrebt werden, die für alle Schüler erreichbar sind. Aber es müssen alle Schüler optimal gefördert werden, auch die begabten. Das bedeutet, dass der naturwissenschaftliche Unterricht „Individualisierung“ verwirklichen muss, um naturwissenschaftliche Talente zu fördern. Die Klassenräume müssen „Lernlandschaften“ (Schorch 1998) werden.

Es müssen alle Schüler optimal gefördert werden

6. Seit der Veröffentlichung der TIMS- und PISA- Studien hat sich in Deutschland die Bildungspolitik von Bund und Ländern verändert. Notwendige Reformen stehen auf der Tagesordnung: In Modellversuchen werden flächendeckend empirische Untersuchungen in Schulen durchgeführt: (u.a.) „Bildungsqualität von Schule“, BLKModellversuche „SINUS Transfer“, „Physik im Kontext“ (s. Mikelskis-Seifert & Duit 2007). Im Bereich der Naturwissenschaften werden für alle Bundesländer verbindliche „Standards“, „Kompetenzstufen“, Abschlussprüfungen beschlossen (s. 2.4). Äußerst wichtig sind auch Maßnahmen zur Verbesserung der Studienpläne für die Lehrerausbildung an den Universitäten (z.B. der Schulpraktika, der Koordination von fachlicher, fachdidaktischer und pädagogischpsychologischer Ausbildung) (KMK 2008), sowie die Ausweitung des physikdidaktischen Lehrdeputats für das für das Lehramt an Gymnasien (Merzyn 2006). Noch wichtiger dürfte die Reorganisa-

Neue Maßnahmen in der Lehrerbildung

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1 Warum Physikunterricht? tion der lebenslangen Lehrerfortbildung sein, z.B. die Verbesserung der Zusammenarbeit zwischen Schule und Hochschule durch die Gründung von Zentren für Lehrerbildung, durch die schulinterne Lehrerfortbildung, durch Lehrerweiterbildung, durch die Verpflichtung der Lehrkräfte zur Fortbildung hinsichtlich Umfang in einem vorgegebenen Zeitrahmen. Erste Schritte in diese Richtung sind durch die neueren KMK- Vereinbarungen gemacht (s. Kap. 22). Sorgen bereitet eine Berufunspraxis physikalischer Fachbereiche, physikdidaktischer Professuren durch Physiker mit geringer oder fehlender schulischer Kompetenz zu besetzen. Erfreulich daher die Empfehlung der Hochschulrektorenkonferenz (21.2. 2006): „Bestehende Professuren müssen vor der Umwidmung mit rein fachwissenschaftlichen Schwerpunkten geschützt werden. Insbesondere muss mit fachdidaktischen Professuren die empirische Erforschung des fachbezogenen Lehrens und Lernens verbunden sein, ohne dass die bildungstheoretischen Grundlagen vernachlässigt werden.“ Epilog: In eine humane Zukunft führt ein eher schmaler, unsicherer, ungewisser Pfad. Durch gegenwärtige astrophysikalische Theorien glauben wir, das Ende des Weges der Erde zu kennen. So ist der Weg das Ziel. Der „Weg“ kann mit Hilfe der Naturwissenschaften begehbar weitergeführt werden von und für viele Menschen, vor allem für unsere Kinder. Der naturwissenschaftliche Unterricht ist in der Lage, den vorhandenen und in naher Zukunft fertig gestellten „Weg“ zu beschreiben, seine Schwierigkeiten und seine Schönheiten. Der naturwissenschaftliche Unterricht kann auf die Schwierigkeiten aufmerksam machen, die beim „Bau des Weges“ und durch die „Schönheit ! des Weges“ entstehen. Er soll die gegenwärtig für den „Zustand und die Weiterführung des Weges“ Verantwortlichen – uns alle – in die Lage versetzen, die „Sinn-vollste“ Streckenführung auszuführen und das „Sinn-vollste“ Tempo für den „Weg“ zu finden.

1.6 Ergänzende und weiterführende Literatur Zur Begründung des naturwissenschaftlichen Unterrichts haben sich amerikanische und englische naturwissenschaftliche Gesellschaften (s. z.B. AAAS (1989); (1993)) in der Tradition Deweys für „Scientific literacy“, („naturwisssenschaftliche Grundbildung für alle“) entschieden. Dadurch könnten in der Industriegesellschaft benötigte Kompetenzen erworben, gesellschaftliche Probleme gelöst werden. Kritik an den bisher geringen Auswirkungen von „Scientific lite-

1.6 Ergänzende und weiterführende Literatur 2667 2668 2669 2670 2671 2672 2673 2674 2675 2676 2677 2678 2679 2680 2681 2682 2683 2684 2685 2686 2687 2688 2689 2690 2691 2692 2693 2694 2695 2696 2697 2698 2699 2700 2701 2702 2703 2704 2705 2706 2707 2708 2709

racy“ in den USA äußerte Shamos (1995); de Boer (2000), auch deren Orientierung an landesweiten Stardards und einheitlichen Tests. In der anglo-amerikanischen Diskussion fehlt die Erörterung der pädagogischen Dimension des Physikunterrichts weitgehend. Letzteres trifft in geringerem Maße auf die Resolutionen von MNU (1993; 2001) sowie den Festlegungen der KMK (2004 a,b,c) zu. Im deutschen Sprachraum hat Muckenfuß (1995) den Schwerpunkt seines Entwurfs einer zeitgemäßen Physikdidaktik auf „sinnstiftende Kontexte“ für Schüler gelegt und dies an überzeugenden Beispielen illustriert. Seine Auffassungen unterscheiden sich nur in Details von den hier dargestellten physikdidaktischen Positionen. Eine äußerst lesenswert Darstellung des Legitimationsproblems gibt Jung (19992). Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts wird kritisch gewürdigt; Umweltaspekte und Bildung der Nachhaltigkeit im Physikunterricht werden nicht thematisiert. Brauns „Physikunterricht neu denken“ (1998) konzentriert sich bei seiner Interpretation von Hentigs „Schule neu denken“ (19943) stärker auf die pädagogische Dimension des Physikunterrichts. Aus einer allgemeinen pädagogischen Sicht diskutiert Kutschmann (1999) „Naturwissenschaft und Bildung“. Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts wird von beiden Autoren ebenfalls vernachlässigt. Merzyn (2002) gibt einen detaillierten Überblick über die Diskussion der gymnasialen Physiklehrerausbildung im 20. Jahrhundert. In der „Didaktik des Physikunterrichts“ von Willer (2003) sind relevante Themen ausgewählt. Dazu wird sehr ausführlich auf deutschsprachige physikdidaktische und erziehungswissenschaftliche Literatur zurückgegriffen. Auf jeden Fall sind die Darstellungen für Referate in der Ausbildung gut geeignet. „Physikdidaktik – Praxishandbuch für die Sekundarstufe I und II“ (Mikelskis, H.F. (Hrsg. ) 2006) ist ein Sammelband, der einige interessante Beiträge zur Physikdidaktik enthält.

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1 Warum Physikunterricht?

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Literatur 2753 2754 2755 2756 2757 2758 2759 2760 2761 2762 2763 2764 2765 2766 2767 2768 2769 2770 2771 2772 2773 2774 2775 2776 2777 2778 2779 2780 2781 2782 2783 2784 2785 2786 2787 2788 2789 2790 2791 2792 2793 2794 2795

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1 Warum Physikunterricht?

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43

Ernst Kircher

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht 1. Eine intensive Beschäftigung mit Zielen ist aus folgenden Gründen wichtig: Sie organisieren die Unterrichtsplanung und tragen zur Strukturierung des Unterrichts wesentlich bei. Außerdem bieten explizit formulierte Ziele Anhaltspunkte für die Kommunikation über die Schule für Lehrer, Schüler, Eltern, Politiker. Wegen des Zusammenhangs von Zielen und Leistungsbeurteilungen können Ziele zu objektiven Beurteilungen (z. B. Noten) beitragen. 2. Wie kommt man zu Zielen? Zu jeder Unterrichtsstunde und zu jeder Unterrichtseinheit sollte eine „didaktische Analyse“ durchgeführt werden, um mögliche Ziele zu einem bestimmten Thema bzw. zu einem thematischen Bereich auszuloten. Eine solche Zielanalyse ist die Grundlage für weitere Planungsschritte. In 2.1 werden bisherige Vorschläge für didaktische Analysen slizziert und versucht, die erörterten Aspekte eines zeitgemäßen Physikunterrichts (z.B. „Über die Natur der Naturwissenschaften/ Physik lernen“ und die „Bildung der Nachhaltigkeit im Physikunterricht“) in ein Analyseinstrument zu integrieren. 3. Der Schwerpunkt der Ausführungen in 2.2 liegt darauf, welche Ziele der Physikunterricht im Speziellen und welche er zusammen mit weiteren Schulfächern anstreben sollte. Es wird ein Modell skizziert, in dem Zielebenen, Zielklassen und Lernzielstufen (Anforderungsstufen) unterschieden werden. 4. Wie kommt man zu Zielen, wenn ein Thema vorgegeben ist, z. B. durch den Lehrplan? In Abschnitt 2.3 werden Zielklassen des Physikunterrichts beschrieben. Sie werden in der Unterrichtsvorbereitung reflektiert, ausgewählt und dann schriftlich fixiert. 5. Durch die Kultusministerkonferenz der Bundesländer wurden 2003/ 2004 allgemeine verpflichtende Kompetenzen von Schülern am Ende ihrer Schulzeit festgelegt (Standards), um die Leistungsfähigkeit des deutschen Schulsytems zu verbessern. In 2.4. sind die Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Schulabschluss, die Basiskonzepte, Kompetenzbereiche, sowie die Anforderungsbereiche dargestellt und kommentiert.

84 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht

2.1 Wie kommt man zu Zielen?

Planungsinstrument für die Konzeption und Entwicklung von Unterrichtseinheiten

In Abschnitt 2.1 wird von Klafkis schon klassischer „didaktischer Analyse“ ausgegangen und für den Physikunterricht interpretiert. Ein am IPN entwickelter Fragenkatalog (s. z. B. Häußler & Lauterbach, 1976) wurde dem in Kap. 1 entwickelten Begründungszusammenhang angepasst. Das hier beschriebene Planungsinstrument ist als physikdidaktische Interpretation von Klafkis „didaktischer Analyse“ aufzufassen, das insbesondere für die Konzeption und Entwicklung von Unterrichtseinheiten und Unterrichtsprojekten eingesetzt werden kann. Es ist auch für die Entwicklung von Physiklehrplänen relevant.

2.1.1 Die didaktische Analyse im Physikunterricht Klafki (1963, 101 ff. u. 135 ff. ) folgend kann man vier Zieldimensionen unterscheiden, um ein Thema didaktisch auszuloten, um Ziele zu einem thematischen Bereich aufzufinden. Bildungsgehalt GegenwartsbedeuDidaktische Analyse tung aus Schülersicht

Zukunftsbedeutung aus Schülersicht

Innere Struktur des Themas

Abb. 2.1: Vier Zieldimensionen einer didaktischen Analyse Der Bildungsgehalt

1. Der allgemeine Sinn oder Bildungsgehalt (z. B. Klafki 1963, 130 ff.) eines Themas bedeutet im Physikunterricht die wichtigsten Motive, die allgemeinen Strukturen, die ethischen und die fachimmanenten Grenzen, die wesentlichsten Auswirkungen der Physik an geeigneten Beispielen zu kennen, zu verstehen, zu reflektieren. Auch die mit dem Kürzel „über die Natur der Naturwissenschaften lernen“ umschriebenen Zielaspekte können Bildungsgehalte sein . Aus der Perspektive dieser Zieldimension kann etwa der Bildungsgehalt des Themas „Elektrischer Stromkreis“ die Modellbildung in der Physik sein (s. Kircher u. a.1975). Es kann aber auch sinnvoll sein, die typischen Anwendungen elektrischer Stromkreise im Unterricht zu thematisieren, die in tausenderlei Geräten unser Leben, unsere Gesellschaft beeinflussen und prägen (z. B. Muckenfuß & Walz 1992). Dieses Beispiel macht deutlich, dass der Gehalt eines Themas nicht eindeutig und nicht endgültig festgelegt ist. Die Entscheidungen über Ziele eines thematischen Bereichs treffen im Idealfall Lehrende und Lernende gemeinsam.

2.1 Wie kommt man zu Zielen? 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129

85

Gehen wir von gegenwärtiger schulischer Rahmenbedingungen (z.B. Physikstunden/ Woche) aus und diesen vier Zieldimensionen bedeutet das eine Abkehr von ausufernden fachlichen Zielen im informierenden Unterricht und die notwendige Hinwendung zu exemplarischem Lernen. Um neben exemplarischen auch informierenden Unterricht zu rechtfertigen, verwendete Wagenschein eine Analogie: Der exemplarische Unterricht entspricht Brückenpfeilern, informierender Unterricht den Brückenbögen, die die Pfeiler verbinden

Wagenscheins Analogie über exemplarischen und informierenden Unterricht

2. Weltbilder und Lebensstile der Schüler entscheiden maßgeblich über die Relevanz bzw. Irrelevanz eines Themas.

Bedeutung aus der Sicht der Lernenden

Die spezifischen Weltbilder und Lebensstile der Kinder und Jugendlichen entstehen nicht nur als Folgen schulischen Lernens, sondern auch durch Gegebenheiten im Elternhaus und durch verschiedenartige Aktivitäten und Einwirkungen in Jugendgruppen und im unorganisierten Freizeitbereich. Weltsichten und Lebensstile beeinflussen, die Alltagsvorstellungen, Interessen, Motive, Einstellungen, Handlungen der Jugendlichen. Zusammen mit individuellen Kenntnissen und Fähigkeiten sind Weltbilder und Lebensstile die „anthropogenen“ und „soziokulturellen“ Voraussetzungen des Unterrichts. Wie weit ist ein bestimmtes physikalisches Thema geeignet, diese Schülerperspektiven zu beeinflussen, zu ändern, zu festigen? Wir betrachten als Beispiel die fachwissenschaftlichen Themen „Kinematik“ und „Dynamik“. Sie können im Physikunterricht sowohl als Aspekte der Verkehrserziehung als auch der Umwelterziehung thematisiert werden. • Bei einer Unterrichtseinheit: „Mehr Sicherheit im Straßenverkehr“ können zusätztlich zu den physikalischen Begriffe „Geschwindigkeit“ und „Beschleunigung“, über die Kräfte beim Abbremsen oder bei Kurvenfahrten, über den Bremsweg, neue Einsichten über sinnvolles Verhalten im Straßenverkehr folgen zur größeren Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer. • Eine Unterrichtseinheit „Folgen des Straßenverkehrs“ ist fachüberschreitend. Sie erfordert ein ähnliches physikalisches Grundwissen wie zuvor. Aber nun werden vor allem die Folgen hoher Geschwindigkeiten für den Kraftstoffverbrauch und für die Abgasemission thematisiert, Lösungsmöglichkeiten für die dadurch entstehenden Umweltprobleme ebenso erörtert, wie Alternativen zum Individualverkehr. Bei einer solchen Interpretation der Thematik sind die Weltbilder und Lebensstile der Lernenden noch stärker tangiert als im zuerst skizzierten Fall „Verkehrssicherheit“.

Weltbilder und Lebensstile sind „anthropogene“ und „soziokulturelle“ Voraussetzungen des Unterrichts

86 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht Eine weitere Folgerung dieser Zieldimension ist, dass schwierige und komplexe Themen schülergemäß elementarisiert und didaktisch rekonstruiert werden müssen (s. Kap. 3). Das hat natürlich auch unterrichtsmethodische Konsequenzen.

Zukunftsbedeutung eines Themas: Für das Leben lernen

3. Die Zukunftsbedeutung eines Themas für die Schüler wird vor allem aus pragmatischer Sicht interpretiert: für das Leben lernen.

Neue Kulturtechniken

In dieser Interpretation der Zieldimension „Zukunftsbedeutung“ gewinnt der naturwissenschaftliche Unterricht ein besonderes Gewicht. Das gilt für die neuen Kulturtechniken etwa für die typischen Darstellungsweisen von Informationen in Blockdiagrammen, Tabellen, grafischen, ikonischen, symbolischen Darstellungen, die nicht nur im naturwissenschaftlichen Bereich eingesetzt werden. Aber auch Einstellungen gehören dazu, wie die angstfreie Nutzung von technischen Haushaltsgeräten und Instrumenten oder der souveräne Umgang mit Medien zur Beschaffung benötigter Informationen.

Angstfreie Nutzung technischer Geräte und Instrumente

Hat der Inhalt eine Bedeutung für das spätere Berufsleben, für die physische und psychische Gesunderhaltung, für Orientierung, für Kritik- und Handlungsfähigkeit in einer von der Technik geprägten Lebenswelt, für Problemlösungen in einer technischen Gesellschaft?

Souveräner Umgang mit Medien

Der oben erwähnte Aspekt physische und psychische Gesunderhaltung, kann beispielsweise in einem Projekt „Lärm und Lärmschutz“ thematisiert werden. Neben biologischen Grundlagen (Schallwahrnehmung und mögliche Schädigungen durch Schall (Lärm)), sind physikalische Grundlagen über Schallentstehung, Schallmessung, Schalldämmung nötig, ebenso Rechtsgrundlagen zur Verhinderung von Lärmbelästigungen und Lärmschädigungen. Auch Wissen über Behörden zur Kontrolle dieser Rechtsgrundlagen gehören zu einem solchen Projekt. Das ist nötig, damit Betroffene sinnvoll und effektiv gegen Lärmbelästigungen vorgehen können.

Strukturen der Physik

4. Physik und Schulphysik besitzen im Allgemeinen ein klare, eindeutige innere Struktur. Das wurde durch Festlegungen ( zum Beispiel die Grundgrößen, abgeleiteten Größen, Definitionen) und empirische Befunde (z. B. physikalische Gesetze, Naturkonstanten und Materialkonstanten), durch Integration und Zusammenfassung von Begriffen in Gesetze, von Gesetzen in Theorien, von Theorien in umfassende physikalische Weltbilder (das „Teilchen-“ bzw. das „Wellenbild“) erreicht. Von besonderer Bedeutung auch für den Physikunterricht sind die „Erhaltungssätze“ (Energieerhaltung, Impulserhaltung, Drehimpulserhaltung, Ladungserhaltung) in abgeschlossenen Systemen. Ein die Schulstufen übergreifendes Ziel des Physik- und Chemieun-

2.1 Wie kommt man zu Zielen? 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215

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terrichts ist das Lernen des „Teilchenbildes“ und dessen Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften. Neben der begrifflichen Struktur, ist die methodische Struktur der Physik auch für den Physikunterricht als Lernziel relevant. Eine größere Bedeutung als bisher soll der Metastruktur der Physik zukommen (s. 1.2.2, 1.2.3). Zusammenfassung • Der allgemeine Sinn eines Themas wird in der gesellschaftlichen (politischen, zivilisatorischen, kulturellen) Relevanz und seinem Beitrag zur Erhaltung der natürlichen Umwelt gesehen. Durch eine solche Interpretation eines Themas wird der Physikunterricht ausgeweitet; er wird fachüberschreitend und interdisziplinär. Nicht nur wegen dieser Ausweitung und der gegenwärtigen schulischen Rahmenbedingungen (zu wenig Physikunterricht) muss exemplarisches Lernen (s. 4.2.1) den Physikunterricht dominieren.

Der allgemeine Sinn eines Themas

• Die Frage nach der Bedeutung eines Themas aus der Sicht der Schüler führt zu didaktischen Alternativen, zu interessierenden Einstiegen, zu individualisiertem Lernen, zu dauerhaftem Behalten des neuen Wissens, zu pädagogisch und gesellschafltich wünschenswertem Verhalten.

Bedeutung eines Themas aus der Sicht der Schülers

• Die pragmatische Interpretation der Zukunftsbedeutung eines Themas geht davon aus, dass der Physikunterricht auch den physikalischen Kern der modernen Techniken und Technologien in elementarisierter Form darstellen, herausarbeiten, verständlich machen kann. Diese sind einsichtige, rationale Grundlage für deren Handhabung und Nutzung in relevanten Situationen des Alltags, des späteren Berufs, als mündiger Bürger.

Zukunftsbedeutung eines Themas

• Die von Menschen gemachte und erforschte, aber nicht willkürliche innere Struktur der Physik (begriffliche und methodische Struktur, Metastruktur) bestimmt mit den drei anderen Zieldimensionen den Aufbau, die Gliederung und die Inhalte des Physikunterrichts. Es entsteht daraus die Sachstruktur des Physikunterrichts. Diese unterscheidet sich von der Struktur der Physik eben dadurch, dass allgemeinbildende und pragmatische Ziele diese Struktur mitbestimmen. Die Mitbestimmung schließt natürlich auch die Lernenden mit ein.

Struktur der Physik

88 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht

2.1.2 Gesichtspunkte für die Inhaltsauswahl – Fragenkatalog für die didaktische Analyse 1. In den 1970-er Jahren prägte die Curriculumtheorie die Diskussionen und die Ergebnisse von Lehrplankommissionen und damit die Ziele des naturwissenschftlichen Unterrichts. Einzelne „curriculare“ Lehrpläne waren bis in die neunziger Jahre gültig. Der pädagogische Ansatz von Häußler & Lauterbach (1976) ist pragmatisch: Schule und Unterricht sollen dabei helfen, künftige Lebenssituationen zu bewältigen. Dazu müssen bestimmte Qualifikationen und Einstellungen (Dispositionen) mit Hilfe bestimmter Curriculumelemente (z. B. speziell entwickelte Unterrichtsmaterialien) erworben werden. Lebenssituationen: Interpretationsbereich Naturwissenschaft/ Technik Handlungsbereiche Gesellschaft, Umwelt und Schule

Entsprechend dieser allgemeinen Vorgehensweise skizzieren Häußler & Lauterbach (1976)) vier unterschiedliche Lebenssituationen: die drei Handlungsbereiche Gesellschaft, Umwelt, Schule und den Interpretationsbereich Naturwissenschaft/Technik. Situationsskizzen „dienen der Orientierung, ordnen die Vielfalt, vermerken Ziele und zeichnen Wege zu ihnen“ (Häußler & Lauterbach 1976, 59). Es werden 16 Gesichtspunkte für die Inhaltsauswahl vorgeschlagen, die von Lernzielen zu den vier Lebenssituationen ausgehen. Für die Planung von Unterrichtseinheiten oder von projektorientiertem Unterricht stellen die Gesichtspunkte einen Fragenkatalog für eine didaktischen Analyse zu einem vorgegebenen Thema dar. Diese Fragen sind vergleichbar mit den nicht fachspezifischen Fragen, die Klafki (1963, 135 ff.) für den gleichen Zweck vorschlägt.

Gesichtspunkte zur Inhaltsauswahl

2. Entsprechend den vier Zieldimensionen (Abb.2.1) und unter Berücksichtigung der Leitideen von Kap. 1 werden die folgenden Gesichtspunkte zur Inhaltsauswahl vorgeschlagen:

Zum Bildungsgehalt

I. Zum Bildungsgehalt: Ist der Inhalt geeignet, exemplarisch • das idealistische Motiv der Naturwissenschaft „Wahrheitssuche“ zu illustrieren? • erkenntnis-/wissenschaftstheoretische Aspekte der naturwissenschaftlichen Wahrheitssuche zu thematisieren? • Grenzen des physikalischen Weltbildes auf zu zeigen? • historische Beispiele der nutzenfreien Forschung (z. B. Robert Mayer, Albert Einstein, Elementarteilchenphysik) zu kennen? • das pragmatische Motiv der Naturwissenschaften „Beherrschung der Natur“ zu illustrieren?

2.1 Wie kommt man zu Zielen? 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301

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• Positive Auswirkungen der Naturwissenschaften/der Technik in der Lebenswelt (Arbeitswelt, Freizeit, Haushalt und öffentliche Dienste) selbstständig zu erarbeiten? • Negative Auswirkungen (der Naturwissenschaften)/der Physik/ der Technik für den lokalen und globalen Frieden, für die Arbeitswelt, für die Freizeit, für die lokale/regionale/globale Umwelt durch Projektarbeit zu analysieren und zu problematisieren? • das wertorientierte Motiv „Erhaltung der Lebensgrundlagen für das Biosystem“ als Grundeinstellung zu internalisieren? • die Komplexität und Sensitivität des Biosystems zu verstehen, einschließlich dessen Grundlagen Erde, Wasser, Luft? • Maßnahmen zum Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen kennen, unterstützen, in die Wege zu leiten? • die Notwendigkeit der nachhaltigen, zukunftsfähigen Nutzung, sowie Recycling von Wertstoffen einsehen und Konsequenzen für den eigenen Lebensstil zu ziehen? • Probleme des anthropozentrischen Weltbildes zu diskutieren? II. Zur Gegenwartsbedeutung für Schüler: Ist der Inhalt geeignet, das Weltbild/ den Lebensstil der Kinder und Jugendlichen zu berühren, zu beeinflussen, zu ändern, zu festigen?

Zur Gegenwartsbedeutung für Schüler

• Selbstbewusstsein entwickeln im Umgang mit technischen Geräten • Freude am spielerischen Lernen und Entdecken • Selbstorganisiertes, kreatives Lernen ermöglichen • Sorgfalt im Umgang mit den Lebensgrundlagen thematisieren • Rücksichtnahme in der technischen Gesellschaft (Verhalten im Straßenverkehr) fördern III. Zur Zukunftsbedeutung für Schüler: Ist der Inhalt geeignet, • Kindern und Jugendlichen wichtige Kulturtechniken zur gegenwärtigen und künftigen Lebensbewältigung einzuüben? • relevante Geräte der Lebenswelt beherrschen (Handlungsfähigkeit mit technischen Geräten zur eigenen Sicherheit anzueignen (Fahrrad, Moped, Elektrogeräte))? • Arbeitstechniken und Darstellungsweisen einzuüben? • selbständig Informationen über physikalisch/ technische Geräte der Lebenswelt beschaffen und adäquat umzusetzen? • Informationen darzustellen und zu interpretieren?

Zur Zukunftsbedeutung für Schüler

90 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht • im Team (in der Gruppe) zu arbeiten? • Informationen kommunikativ darzustellen (Standpunkte individuelle/im Team zu erarbeiten und in Diskussionen zu vertreten)? • Kindern und Jugendlichen wichtige Informationen zu vermitteln zur physischen und psychischen Gesunderhaltung? • über Suchtgefahren Bescheid zu wissen (z. B. Geschwindigkeitsrausch im Straßenverkehr, Spielsucht am Computer)? • Gefahren und Gefährdungen in der technischen Gesellschaft zu kennen (Radioaktivität, Lärm, Laserstrahlen)? • vorbeugende Maßnahmen gegen Gefahren in der technischen Gesellschaft zu kennen, gegen Ursachen eintreten, sich engagieren? IV. Zur inneren Struktur der Physik: Ist der Inhalt geeignet, exemplarisch Strukturen der Physik zu vermitteln?

Zur inneren Struktur der Physik

• Grundlegende Begriffe und Gesetze der Physik erarbeiten (Teilchenmodell, Energieerhaltungssatz) • Notwendige Zusammenhänge zwischen Begriffen und Theorien herstellen • Die natürliche und technische Umwelt begreifen (Phänomene: Regenbogen, Gewitter, Sonnenfinsternis; Elektromotor, Steuerungen und Regelungen.) • Grundlegende Methoden der Physik kennen lernen, verstehen, anwenden • Grenzen der Anwendung physikalischer Methoden diskutieren

Unterrichts- und Projektvorbereitung

3. Dieser Fragenkatalog kann, wie die entsprechenden Fragen von Klafki (1963) bzw. von Häußler & Lauterbach (1976), für die individuelle Unterrichtsvorbereitung oder in einer Arbeitsgruppe bei der Vorbereitung eines Projekts eingesetzt werden. Duit, Häußler & Kircher (1981, 241 ff.) haben die didaktische Analyse im Zusammenhang mit der Unterrichtsplanung detailliert beschrieben. In Anlehnung an diese Ausführungen werden folgende Schritte für eine didaktische Analyse vorgeschlagen:

Schritte einer didaktischen Analyse

1 Schritt: Ausloten eines gegebenen Unterrichtsthemas (Stichworte notieren) und auf einen didaktischen Schwerpunkt (eine der Zieldimensionen I, II, III, IV) festlegen. 2. Schritt: Leit- und Richtziele (Näheres in 2.2.) zum Thema formulieren unter Berücksichtigung der Aspekte dieser Zieldimension.

2.2 Lernziele über Lernziele 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387

91

3. Schritt: Die Stichwortliste der ausgewählten Zieldimension ergänzen im Hinblick auf involvierte (vergangene, gegenwärtige, zukünftige) relevante physikalische, technische, politische, umweltpolitische wirtschaftliche, rechtliche Kontexte. 4. Schritt: Aus der Stichwortliste entsteht ein Sachstrukturdiagramm (s. 2.5), das auch die Lernvoraussetzungen der Schüler in Stichworten enthält. 5. Schritt: Die Planungsprodukte, die Liste der Leit- und Richtziele sowie das Sachstrukturdiagramm werden auf innere Konsistenz überprüft und ggfs. abgeändert und/oder ergänzt. 6. Schritt: Eine Grobstruktur der Unterrichtseinheit wird entwickelt. Diese Übersicht (Umfang etwa 1-2 Seiten) enthält in 4 Spalten: den zeitlichen Umfang, Lehr-/Lernziele, die Teilthemen der Unterrichtseinheit in deren Reihenfolge, sowie zentrale Experimente der Schulphysik und besondere Lernformen und Lernorte (z. B. Spiel, Betriebsbesichtigung). 4. Unterricht ist natürlich viel mehr als das, was in noch so umfassenden Ziellisten formuliert ist, mehr als in Worten und Symbolen fassbar ist, Erwünschtes und Unerwünschtes. Magers Absicht: „Die Funktion der Zielanalyse ist, das Undefinierbare zu definieren, das Ungreifbare zu greifen“ (Mager 1969), ist ein Widerspruch in sich, ist unrealistisch. Oder soll man sagen: ein unnötiger Traum? Andererseits gilt, dass für eine verantwortliche Unterrichtsführung eine sorgfältige Reflexion und Analyse der in den Unterricht eingehenden Zielvorstellungen unumgänglich ist (s. Jank & Meyer 1991, 300). Das gilt insbesondere wegen des Zusammenhangs mit einer verantwortungsbewussten Beurteilung des Unterrichts (s. Kap.6).

Planungsprodukte: - Liste der Leitund Richtziele - Sachstruktur diagramm - Grobstruktur des Unterrichts

Für verantwortliche Unterrichtsführung ist eine sorgfältige Reflexion und Analyse der in den Unterricht eingehenden Zielvorstellungen unumgänglich

2.2 Lernziele über Lernziele In Theorie und Praxis werden verschiedene Lernziele und Lernzielklassifikationen verwendet, formuliert, hierarchisiert, nicht zuletzt kritisiert. Die Kritik bezieht sich vor allem auf die sogenannten operationalisierten (Fein-) Lernziele wie sie in den 1970er-Jahren im Gefolge der Curriculumtheorie formuliert wurden. Heute ist man sich weitgehend einig, dass es sinnvoll sein kann, die Bedienung eines elektrischen Multimeters zu operationalisieren, um Schäden des jugendlichen Benutzers und des Gerätes zu verhindern. Komplexe mentale Vorgänge über Physik wie „Verständnis der newtonschen

Kritik an operationalisierten (Fein-) Lernzielen

92 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht Mechanik“ lassen sich genau so wenig durch Lernziele operationalisieren wie „Verständnis von Schillers Dramen“. Wir gehen daher nicht näher auf operationalisierte Lernziele ein (s. dazu Duit, Häußler & Kircher 1981), denn: Der Gehalt der newtonschen Mechanik lässt sich für Lernende nicht in wenigen Formeln fassen, deren „Verständnis“ nicht durch Lösen ausgewählter Rechenaufgaben feststellen: Das Ganze ist eben mehr als die Summe seiner Teile. Ausgehend von verschiedenen Zieldimensionen (2.1) geht es um die notwendige Ausweitung von Lernzielen über die auf physikalische Begriffe und Gesetze bezogenen Ziele hinaus.

2.2.1 Verschiedene Zielebenen Zielebenenmodell: nach wie vor relevant

Westphalen (1979) verwendet eine hierarchische Einteilung von Zielen in vier Zielebenen. Wir halten dieses Zielebenenmodell nach wie vor für relevant in der Lehrerausbildung und für die Entwicklung von Lehrplänen. Eine solche Einteilung der Ziele ist für angrenzende Zielebenen nicht trennscharf. Vielmehr gibt die Zuordnung zu einer Zielebene einen Hinweis darauf, für wie wichtig ein Ziel für die Schulbildung und für das Fach gehalten wird und damit zusammenhängend, wie intensiv es thematisiert werden soll. Westphalen unterscheidet „Leitziele“, „Richtziele“, „Grobziele“ und „Feinziele“, „Leitziele“ sind sehr allgemeine Ziele, die die Lern-, Bildungs-, Erziehungsvorgänge der Schule umfassen und grundsätzlich alle Fächer betreffen. „Richtziele“ umfassen die allgemeinsten fachspezifischen und fachübergreifenden Ziele. „Grobziele“ spielen innerhalb eines Faches eine große Rolle. „Feinziele“ sind für die Planung einer Unterrichtsstunde wichtig.

Beispiele für Leitziele

1.„Leitziele“ finden sich in den Präambeln der Lehrpläne; es sind die allgemeinen Bildungs- und Erziehungsziele einer bestimmten Gesellschaft, einer bestimmten Politik. Sie beziehen sich auf die Prinzipien des Grundgesetzes, wie z. B. „Erziehung zur Demokratie“ und auf Gesetze von Bundesländern über das jeweilige Erziehungs- und Unterrichtswesen, z. B. auf Einstellungen und Werte wie „Ehrfurcht vor der Würde des Menschen“, „Verantwortungsgefühl“, „Verantwortungsbewusstsein“, „Verantwortungsfreudigkeit“, „Hilfsbereitschaft“ und „Toleranz“. Aber auch der Erwerb relevanter allgemeiner Fähigkeiten, „Schlüsselqualifikationen“, wie Kommunikationsfähigkeit, Kooperationsfähigkeit, Kritikfähigkeit, Problemlösen, „Denken in Zusammenhängen“, die Fähigkeit, die Flut von medialen Informationen sinnvoll zu nutzen, werden zu den Leitzielen gezählt. Man kann Klafki (19965, 36 ff.) folgen und die angedeutete Vielfalt

2.2 Lernziele über Lernziele 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473

93

an Leitzielen in die Begriffe „Selbstbestimmungsfähigkeit“, „Mitbestimmungsfähigkeit“, „Solidaritätsfähigkeit“ subsumieren. Auch die Physiklehrerinnen und Physiklehrer tragen dazu bei, dass Leitziele in der Schule realisiert werden: • durch die Auswahl und Interpretation der Inhalte • durch geeignete methodische Formen (Gruppen-, Projektunterricht, Freiarbeit) • durch kritische und souveräne Nutzung verfügbarer Medien. 2. „Richtziele“ sind die obersten fachspezifischen Ziele; sie können fachübergreifend sein. Dies gilt auch für die Richtziele des Physikunterrichts, die i. Allg. auch für den naturwissenschaftlichen Unterricht gelten (s. „Basiskonzepte“ in 2.4.2). Kerschensteiner (1914) hat „Wesen und Wert des naturwissenschaftlichen Unterrichts“ in den dort ausschließlich oder besonders geförderten und geübten Fähigkeiten „Beobachten“, „Denken“, „Urteilen“ und physisches und psychisches Durchhaltevermögen („Willenskraft“) gesehen. Es lässt sich darüber streiten, ob diese Fähigkeiten als „Leitziele“ oder als „Richtziele“ aufzufassen sind. Westphalen folgend werden hier die allgemeinsten Inhalte der begrifflichen und methodischen Struktur der Naturwissenschaften als Richtziele aufgefasst. Für die methodische Struktur heißt das Richtziel „naturwissenschaftliches Arbeiten lernen (verstehen, anwenden)“, mit den zusammenhängenden Aspekten „Theoretisieren“ und „Experimentieren“. Dabei bleibt vorläufig unberücksichtigt, wie weit dieses Richtziel im gegenwärtigen Physikunterricht realisierbar ist. Die Untersuchungen von Carey u. a. (1989) und Welzel u. a. (1998) zeigen, dass diese Ziele gegenwärtig nur rudimentär erreicht werden. Tatsache ist wohl auch, dass das Ziel „Methoden der Physik/ der Naturwissenschaften lernen“ absichtlich oder unabsichtlich vernachlässigt wird. Der gegenwärtige Schwerpunkt des Physikunterrichts liegt eindeutig auf dem Verständnis der begrifflichen Struktur. Für das idealistischabendländische Motiv (Leitziel) „naturwissenschaftliche Wahrheitssuche“ und für das pragmatische Motiv „für das Leben lernen“ scheint das Verständnis und die Anwendung der methodischen Struktur unbedingt erforderlich zu sein, bloßes „Reden über Methoden“ reicht hierfür nicht aus. Richtziele, die die begriffliche Struktur der Physik/der Naturwissenschaften betreffen, sind: Das atomistische Weltbild, der begriffliche Aufbau der Physik, Invarianten in der Physik (Erhaltungssätze, Na-

Beispiele für Richtziele

94 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht turkonstanten). Auch die „Basiskonzepte“ („Leitideen“) der Standards für den Physikunterricht (s. 2.4.2) sind Richtziele. Als fachübergreifende Richtziele nennt Westphalen (1979, 67 ff.) unter vielen anderen: „Fähigkeit, Abstraktionen und Symbole zu deuten“, „Bereitschaft Leistung zu erbringen“, „Fähigkeit zu rationellem Arbeiten: Planung, Zeiteinteilung, Organisation, Erfolgskontrolle“.

Beispiele für Grobziele

3. „Grobziele“ sind i. Allg. eindeutig auf ein Teilgebiet der Physik bezogen. Sie benennen z. B. ein relevantes Gesetz oder ein typisches Messverfahren dieses physikalischen Teilgebietes oder eine charakteristische Darstellungsweise von experimentellen Daten oder physikalisch-technischen Sachverhalten dieses Bereichs (z. B. „Schaltskizzen interpretieren können“).

Feinziele: in der Lehrerausbildung sinnvoll

4. Eine weitere Differenzierung der Ziele des Physikunterrichts in sogenannte „Feinziele“ ist in der 1. und 2. Phase der Lehrerbildung sinnvoll: Die Formulierung von Feinzielen ist nicht nur für die Ausarbeitung von Unterrichtsentwürfen zweckmäßig, sondern auch für die Bewertung von Unterricht im Rahmen eines quantitativen Beurteilungssystems. (s. Kap. 6). Für komplexere Fähigkeiten (Ziele) wie „Verstehen“ und „Problemlösen“ erscheint die Differenzierung nicht angemessen, wegen der Unschärfe von Ausdrücken wie „Verstehen“ und wegen der ungenauen Kenntnis des Vorwissens der Lernenden. Letzteres spielt eine Rolle bei der Beurteilung; denn es ist ein wichtiger Unterschied, ob es sich um originäres Problemlösen oder um die Anwendung eines bekannten Lösungsschemas handelt. 5. Bisher waren Versuche nicht erfolgreich, die Richtziele und Grobziele der Schulphysik in den Ländern der Bundesrepublik zu vereinheitlichen. Nun sind „Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Schulabschluss“ und „Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Physik“ beschlossen (KMK 2004b,c). In Abschnitt 2.4 wird die damit zusammenhängende bildungspolitische Initiative dargestellt, die damit verbundenen Hoffnungen und möglichen Problemen.

2.2 Lernziele über Lernziele 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559

95

6. Zusätzliche Bemerkungen: • Man kann von allgemeinen Zielen (Leitzielen) ausgehend nicht die spezifischeren Richt-, Grob-, Feinziele ableiten. Es ist eher möglich, eine negative Eingrenzung zu geben, d. h. welche RichtGrob-, Feinziele zu einem vorgegebenen übergeordneten Ziel nicht in Frage kommen.

Aus Leitzielen lassen sich die Richt-, Grob- und Feinziele nicht ableiten

• Zur Illustration des Zielebenenmodells folgenderVergleich: Ein Leitziel kann als Motto über dem Eingang eines Schulhauses angebracht werden.Ein Richtziel kann über der Tür zum Physikraum stehen. Ein Grobziel kann als Stundenthema an die Tafel geschrieben werden. Feinziele sind im Physikheft als Merksätze, kommen in einer Klassenarbeit/ Schulaufgabe als Aufgaben vor.

Illustration des Zielebenenmodells

2.2.2 Zielklassen und Anforderungsstufen 1. Wenn Lernziele für einen Unterrichtsentwurf formuliert werden, ist damit u. a. folgende Frage verknüpft: Welche Art von Zielen, welche „didaktische Zielklasse“ ist gemeint? Es werden folgende Zielklassen unterschieden (s. dazu 2.4.2) : • „Konzeptziele“ intendieren die Aneignung des begrifflichen Wissens (vor allem die Basiskonzepte Materie, Wechselwirkung, System, Energie) • „Prozessziele“ charakterisieren Fähigkeiten und Fertigkeiten, (z.B. Wahrnehmen, Ordnen, Erklären, Prüfen, Modelle bilden), • „Soziale Ziele“ streben ein bestimmtes Verhalten an (Kommunikation und Kooperation), • Ziele über Einstellungen und Werte.

Zielklassen

Ich verweise auf die kognitionspsychologische (z. B. Mandl & Spada 1988) und die entwicklungspsychologische Standardliteratur (z. B. Oerter & Montada 19984), die diese Zielklassen fundieren. 2. Wie intensiv soll sich der Lernende mit einem Thema befassen? Soll er bloß einen Einblick in ein Thema gewinnen oder soll er mit dem Thema vertraut werden? Für Lehrpläne, Unterrichtseinheiten und auch bei einzelnen Unterrichtsstunden sind verschiedene Anforderungsstufen bei den Zielen sinnvoll. Sie geben Hinweise für die Intensität des Lehrens und Lernens und damit auch Hinweise für die Überprüfung von Lernzielen. In der Lehrerausbildung sind die von Roth (1971) vorgeschlagenen vier „Lernzielstufen“ bekannt:

Anforderungsstufen

96 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600 601 602

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht • Reproduktion (Stufe I): Wiedergabe einzelner Sachverhalte in einer im Unterricht behandelten Weise. • Reorganisation (Stufe II): Zusammenhängende Darstellung bekannter Sachverhalte unter Anwendung eingeübter Methoden. • Transfer (Stufe III): Übertragung eines gelernten physikalischen Sachverhalts auf einen (struktur-) ähnlichen Sachverhalt. • Problemlösendes Denken (Stufe IV): Anwendung bekannter Begriffe und Methoden auf ein neuartiges Problem. Diese Lernzielstufen werden vor allem für schriftliche und mündliche Leistungsbeurteilungen von Fachwissen herangezogen. Auch die aus dem amerikanischen Sprachraum stammende Taxonomie von Bloom und Mitarbeitern können als Lernzielstufen interpretiert und für Zielformulierungen mit unterschiedlichen Anforderungen herangezogen werden (s. Duit, Häußler & Kircher 1981, 67 ff.). Die rothschen Lernzielstufen sind in der Lehrerausbildung und bei der Beurteilung einzelner Unterrichtsstunden relevant. Auch in den „Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Schulabschluss“ (2004b, 10 ff.) werden ähnliche Ausdrücke für die drei „Anforderungsbereiche“ verwendet: Anforderungsbereich I „Wissen wiedergeben“, Anforderungsbereich II „Wissen anwenden“ und Anforderungsbereich III „Wissen transferieren und verknüpfen“. 3. Um naturwissenschaftliche Bildung am Ende der Schullaufbahn zu erfassen, wurden in der TIMS- Studie Aufgaben formuliert, denen vier Kompetenzniveaus (Sekundarstufe I) (s. Baumert u.a. 2000a, 127 ff.), bzw. fünf Kompetenzniveaus (Sekundarstufe II) (s. Baumert u.a. 2000b, 100 ff.) zu Grunde liegen. Im Unterschied zu den rothschen Lernzielstufen sind sie auf den naturwissenschaftlichen Unterricht zugeschnitten. Sie betreffen vor allem die Zielklassen „Konzept“- und „Prozessziele“, d.h. Fachwissen und Fachmethoden und deren Anwendung. „Die Kompetenzbereiche geben die Breite der fachlichen und methodischen Anforderungen an. Die fachspezifischen Anforderungsbereiche beschreiben deren Tiefe“ (KMK 2004a, 10) (ausführlich s. Abschnitt 2.4).

Kompetenzbereiche: Fachwissen Fachmethoden Kommunikation Reflexion/ Bewertung

Um die von der Kultusministerkonferenz beschlossenen Bildungsstandards im Fach Physik (KMK 2004a,b,c) (Mittlerer Schulabschluss bzw. Abitur) in den Ländern zu vereinheitlichen und zu überprüfen, wurden die Kompetenzbereiche: „Fachwissen“, „Fachmethoden bzw. Erkenntnisgewinnung“, „Kommunikation“ und „Reflexion bzw. Bewertung“ festgelegt (s.2.4). Es versteht sich, dass sich die Anforderungen bei diesen beiden Schulabschlüssen deutlich unterscheiden.

2.3 Physikdidaktische Zielklassen 603 604 605 606 607 608 609 610 611 612 613 614 615 616 617 618 619 620 621 622 623 624 625 626 627 628 629 630 631 632 633 634 635 636 637 638 639 640 641 642 643 644 645

97

4. Um ein Lernziel hinreichend zu präzisieren, müssen die Zielebene, die Zielklasse und die Zielstufe /Anforderungsstufe angegeben werden. Dies lässt sich formal in einem Koordinatensystem veranschaulichen, das einen dreidimensionalen Lernzielraum definiert.

Zielebenen

e

Leitziele

Grobziele Lernziel z kes Konzeptziele

Transfer s Zielstufen

k Zielklassen Abb. 2.2: Darstellung eines Lernziels im „Lernzielraum“ Beispiel: Das Lernziel zkes (z. B. ohmsches Gesetz) ist ein „Konzeptziel“, das hier als „Grobziel“ so gründlich gelernt werden soll, dass es auf andere, neue Fragestellungen transferiert werden kann; das entspricht „Transfer“ nach den rothschen Lernzielstufen.

2.3 Physikdidaktische Zielklassen Mit der bloomschen Klassifikation der Ziele hängt die verbreitet in der Lehrerbildung verwendete psychologische Einteilung der Ziele zusammen, in der kognitive, affektive und psychomotorische Ziele unterschieden werden (Bloom 1956). Diese Klassifikation ist aus heutiger Sicht unvollständig, weil soziale Ziele und wichtige Einstellungen und Werte nicht berücksichtigt sind. In den Bildungsstandards (KMK 2004b) sind vier „Kompetenzbereiche“ formuliert, die zumindest äußerlich den vier „Zielklassen“ entsprechen.

„Kompetenzbereiche“ entsprechen „Zielklassen“

98 646 647 648 649 650 651 652 653 654 655 656 657 658 659 660 661 662 663 664 665 666 667 668 669 670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 683 684 685 686 687 688

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht

2.3.1 Konzeptziele (Begriffliche Ziele) Konzeptziele:

Konzeptziele des naturwissenschaftlichen Unterrichts entsprechen teilweise den kognitiven Zielen, die Klopfer (1971) aufführt:

Wissen von Einzelheiten und Fakten

1. Wissen von (physikalischen) Einzelheiten, Fakten

Wissen über Begriffe und Theorien

4. Höhere kognitive Fähigkeiten (z. B. Hypothesen bilden)

2. Wissen über Begriffe und Theorien 3. Verstehen von Zusammenhängen 5. Bewerten (z. B. Messungenauigkeiten) Diese Ziele unterscheiden sich durch ihre kognitiven Anforderungen. Es ist schwieriger, die Gegebenheiten des Physikunterrichts zu bewerten als physikalische Einzelheiten zu wissen. Unter Konzeptzielen verstehen wir die Stufen (1) und (2). Für sich allein charakterisieren sie einen traditionellen lehrerorientierten Unterricht.

2.3.2 Prozessziele (Fähigkeiten und Fertigkeiten) Prozessziele: physikalische und technische Fähigkeiten und Fertigkeiten Untersuchungsmethoden I

Mit Prozesszielen sind physikalische und technische Fähigkeiten und Fertigkeiten gemeint, die sich Kinder und Jugendliche vorwiegend in der Schulzeit und in der Schule aneignen sollen. Dazu gehören insbesondere physikalische Methoden (Klopfer 1971): Durch Untersuchungsmethoden I werden Gegenstände und Vorgänge beobachtet und Änderungen gemessen. Dazu gehört auch die Auswahl geeigneter Messinstrumente und die Beschreibung in physikalischer Ausdrucksweise.

Untersuchungsmethoden II

Physikalische Untersuchungsmethoden II bedeuten das Erkennen einer Aufgabe und das Suchen eines Lösungsweges. Letzteres meint das Aufstellen von Hypothesen, die Auswahl einer Methode zur Überprüfung der Hypothesen und des Untersuchungsplans.

Untersuchungsmethoden III

Physikalische Untersuchungsmethoden III befassen sich mit dem Erzeugen und Interpretieren von Daten. Das bedeutet die Umsetzung des Untersuchungsplanes in eine Experimentieranordnung, die Festlegung der zu messenden Parameter, die Kontrolle und wiederholte Beobachtung der Variablen. Die gewonnenen Daten werden organisiert, verarbeitet, dargestellt, beurteilt und schließlich interpretiert. Hypothesen werden vorläufig bestätigt oder vorläufig widerlegt.

Untersuchungsmethoden IV

Durch Physikalische Untersuchungsmethoden IV werden theoretische Modelle aufgestellt, überprüft, revidiert und in einen allgemeineren theoretischen Zusammenhang eingeordnet. Es dürfen keine Widersprüche zu gesicherten physikalischen Tatbeständen auftreten.

2.3 Physikdidaktische Zielklassen 689 690 691 692 693 694 695 696 697 698 699 700 701 702 703 704 705 706 707 708 709 710 711 712 713 714 715 716 717 718 719 720 721 722 723 724 725 726 727 728 729 730 731

99

Außerdem werden Folgerungen auf weitere experimentelle und theoretische Sachverhalte gezogen. Das Modell wird ausgearbeitet. In Physikalische Untersuchungsmethoden V werden die bisherigen methodologischen Schritte reflektiert: Es werden protophysikalische Begriffe wie Raum und Zeit erörtert oder erkenntnis- und wissenschaftstheoretische Betrachtungen über Physik und Wirklichkeit oder über das Zusammenspiel von Theorie und Experiment angestellt.

Untersuchungsmethoden V

Um die Anzahl der Zielklassen möglichst klein zu halten, zählen wir auch „Fertigkeiten“ zu den Prozesszielen. Dazu zählen Fertigkeiten im souveränen Umgang und der Bedienung von Geräten aller Art, die für das Experimentieren, die Justierung komplexer Versuchsanordnungen und das Auswerten von Daten benötigt werden..

Prozessziele charakterisieren schülerorientierten Unterricht

2.3.3 Soziale Ziele Für das Zusammenleben in der Gesellschaft, d. h. in der Familie, in der Schule, in Jugendgruppen, in Vereinen wird das Einüben sozialer Verhaltensweisen (sozialer Kompetenzen) immer wichtiger, zum Beispiel: Rücksichtnahme auf Schwächere, Toleranz und Kompromissbereitschaft gegenüber Andersdenkenden, Solidarität mit Bedrohten, Hilfsbereitschaft bei Notleidenden, Höflichkeit gegenüber den Mitmenschen. Diese erzieherischen Aufgaben sind in den vergangenen Jahrzehnten in immer stärkerem Maße von der Familie auf die Schule übergegangen, von der Politik und der Pädagogik auf die Schule übertragen worden (s. Oerter & Montada 19984). Soziale Ziele formulieren wünschenswertes sinnvolles und nützliches Verhalten in der Gesellschaft. Es sind (zum Teil) neue Leitziele unserer Zeit, die explizit die Schule und dort alle Fächer dieser Institution betreffen. Einen spezifischen Beitrag zu adäquatem Sozialverhalten können diejenigen Schulfächer leisten, die besonders für den Gruppenunterricht geeignet sind. Dazu gehört zweifellos auch der Physikunterricht. Außerdem kann in dieser Sozialform des Unterrichts, die in der heutigen Berufswelt notwendige Kooperationsbereitschaft und -fähigkeit ebenso geübt werden wie die Kommunikationsfähigkeit.

Beispiele

Soziale Ziele formulieren wünschenswertes sinnvolles und nützliches Verhalten in der Gesellschaft

2.3.4 Ziele über Einstellungen und Werte Die Erziehungs- und Bildungsaufgaben der Schule erstrecken sich auf wünschenswerte Neigungen, Einstellungen und Werte oder Werthaltungen (attitudes), die auch das künftige Leben der Schülerinnen und Schüler prägen sollen (s. z. B. Oerter 197714).

Neigungen, Einstellungen und Werthaltungen

100 732 733 734 735 736 737 738 739 740 741 742 743 744 745 746 747 748 749 750 751 752 753 754 755 756 757 758 759 760 761 762 763 764 765 766 767 768 769 770 771 772 773 774

Änderung von Einstellungen und Werthaltungen

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht 1. Von der Entwicklungspsychologie als empirisch bestätigte Tatsache betrachtet, haben schulexterne Gruppierungen i. Allg. größeren Einfluss auf Einstellungen der Kinder und Jugendlichen als die Schule, gesellschaftliche Einflussfaktoren wie z. B. die Familie, Jugendgruppen oder politische oder religiöse Organisationen. „Bei der Übernahme von Haltungen aus der Umwelt spielt das Lernen durch Nachahmung und Identifikation eine besondere Rolle. Es hat den Anschein, als ahme das Kind nicht nur periphere Verhaltensweisen und Gewohnheiten nach, sondern übernehme auch ganze Überzeugungs- und Wertsysteme“ (Oerter 197714, 270). Absichtlich oder unabsichtlich kann auch der Lehrer als Vorbild wirken. Aber ist dieser darauf vorbereitet, ist er dazu in der Lage? Die Berufsgruppe „Lehrer“ hat keine Sonderstellung. Sie weist z. B. hinsichtlich wünschenswerter Einstellungen für angemessenes Umweltverhalten keine Unterschiede zu anderen Berufsgruppen auf (de Haan & Kuckartz 1996), und das, obwohl das Umweltwissen von Lehrerinnen und Lehrern aufgrund der in Lehrplänen geforderten Umwelterziehung groß ist (s. auch 1.3.4). Dem naturwissenschaftlichen Unterricht kommt hier eine zentrale Aufgabe zu: Über Umweltwissen und Umwelthandeln sollen diese Einstellungen angestrebt werden, durch Lehrerinnen und Lehrern und bei Lehrerinnen und Lehrern. 2. Welches Leitbild?

Welches Leitbild?

Klafkis Kürzel vom „mündigen Bürger“, der die Fähigkeit zur Selbstbestimmung, zu Mitbestimmung und zur Solidarität besitzt, muss so erweitert werden, dass die in Kap. 1.3 erörterten notwendigen Einstellungen „Verantwortung gegenüber der belebten und unbelebten Natur“ und „Bescheidenheit des eigenen Lebensstils“ zu dem Leitbild gehören. Die Vermittlung von Leitbildern ist Angelegenheit aller Fächer. 3. Eine besondere Rolle spielt die Einstellung zur Technik. „Souveräner Umgang mit Technik“ ist für eine nachhaltige, zukunftsfähige Wirtschaft erforderlich, nicht pauschale Technikfeindlichkeit. Die Bildung der Nachhaltigkeit (s. 1.3.4) setzt darauf, dass über naturwissenschaftlich-technisches Wissen und Verstehen entsprechende Einstellungen für sorgfältigen Umgang mit Lebensgrundlagen generiert werden. Solche Dispositionen sind als Voraussetzung für umweltverträgliches Verhalten notwendig. Dieses Verhalten ist auch gegen Auswüchse der Technik, d. h. umweltschädigende Produkte gerichtet. Nicht selten muss, wie bei der Energieversorgung („Kernkraftwerk oder Kohlekraftwerk?“), unter zwei Übeln das kleinere gewählt werden, – ein nur scheinbar leichtes Problem.

2.4 Bildungsstandards und Kompetenzen 775 776 777 778 779 780 781 782 783 784 785 786 787 788 789 790 791 792 793 794 795 796 797 798 799 800 801 802 803 804 805 806 807 808 809 810 811 812 813 814 815 816 817

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„Souveräner Umgang mit der Technik“ bedeutet auch die angstfreie Verwendung und Handhabung technischer Produkte. Erstrebenswerte Einstellungen sind Interesse oder Freude oder Spaß an der Physik sowie „Physik als Erlebnis“ (Häußler u. a. 1980). Gegenwärtig wird Freude an der Physik vor allem in der Primarstufe beobachtet. In den Sekundarstufen ist es nur eine kleine Minderheit, die Physik als ein Erlebnis empfindet und Freude an der Physik hat. Kann „Physik im Kontext“ (Duit & Mikelskis-Seifert 2007) dies grundlegend ändern?

„Souveräner Umgang mit der Technik“ Interesse oder Freude oder Spaß an der Physik

2.3.5 Zusammenfassung 1. Veränderungen in den modernen Industriegesellschaften, wie z. B. Auflösungstendenzen der Familie, die Möglichkeiten der unkontrollierten Informationsbeschaffung über das Internet, Massenprobleme wie Armut und Arbeitslosigkeit, erfordern Änderungen und Ausweitungen der Zielklassen auch des Physikunterrichts. Zu den traditionellen Zielklassen (Konzept- und Prozessziele) kommen unbedingt soziale Ziele und Ziele über Einstellungen und Werte hinzu. Diese haben Auswirkungen auf die Auswahl der Inhalte, auf Methoden und auch auf Medien des Physikunterrichts. 2. Übersicht – Ziele im Physikunterricht Lernzielebenen Lernzielklassen Konzeptziele Leitziele Prozessziele Grobziele Soziale Ziele Richtziele Einstellungen und Feinziele Werte Lehrplan Entwurf einer UnterUnterrichtseinheit richtsstunde

Lernzielstufen Reproduktion Reorganisation Transfer Problemlösen Unterrichtsentwurf Evaluation

2.4 Bildungsstandards und Kompetenzen 2.4.1 Allgemeine administrative Festlegungen Durch die nicht zufrieden stellenden Ergebnisse internationaler Vergleichsstudien (TIMSS, PISA) wurde in der Bundesrepublik um die Jahrtausendwende eine lebhafte bildungspolitische Diskussion initiiert. Das für die Bundesrepublik übergeordnete Gremium, die Kultusministerkonferenz der Bundesländer (KMK) einigte sich darauf, in staatlichen Schulen regelmäßig Leistungsüberprüfungen durch-

Besonders wichtig für:

102 818 819 820 821 822 823 824 825 826 827 828 829 830 831 832 833 834 835 836 837 838 839 840 841 842 843 844 845 846 847 848 849 850 851 852 853 854 855 856 857 858 859 860

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht zuführen als Grundlage für die künftige Entwicklung des deutschen Bildungssystems.

Basiskonzepte Kompetenzbereiche Anforderungsbereiche

Wegen der Kulturhoheit der Länder ist das nur auf der Grundlage allgemeiner administrativer Festlegungen durch sogenannte „Bildungsstandards“ möglich. Das bedeutet bundesweite Festlegungen wesentlicher Unterrichtsziele eines Schulfaches („Kompetenzbereiche“), grundlegender Themen des Faches („Basiskonzepte“ als „Richtziele“ s.2.2) mit der Vorgabe bestimmter „Anforderungsbereiche“ (s. auch 2.2. „Lernzielstufen“, „Kompetenzstufen“). Zu Beginn des Schuljahres 2005/06 wurden verbindliche Bildungsstandards für den „mittleren Schulabschluss“ (am Ende der 10. Jahrgangsstufe) in den naturwissenschaftlichen Fächern eingeführt. Sie sollen (u.a.) • die Qualität des Unterrichts sichern, • den Unterricht weiter entwickeln, • vergleichbare Leistungen in den Bundesländern sichern. Das bedeutet aber keineswegs standardisierten, einheitlichen Unterricht in einem der Bundesländer: In den Bundesländern konkretisieren Lehrplankommissionen die Bildungsstandards für den Unterricht. Außerdem sollen möglichst alle Schulen eines Bundeslandes eigene Schwerpunkte zur Förderung und Verbesserung der Unterrichtsqualität setzen ((z.B.) „Entwicklungsvorhaben ´Eigenverantwortliche Schule in Thüringen`“). • Bildungsstandards geben Lehrerinnen und Lehrern eine Orientierung für die Analyse, Planung und Überprüfung ihrer Unterrichtsarbeit, • Bildungsstandards fördern die Entwicklung einer anforderungsbezogenen Aufgabenkultur, • Bildungsstandards stärken die Kooperation in Fachkonferenzen (s. KMK 2004a, 11 f.). Zur Unterstützung der Lehrkräfte und zur Überprüfung der Bildungsstandards wurde Ende 2004 von der KMK das bundesweit tätige „Institut zur Qualitätsentwicklung im Bildungswesen“ (IQB) an der Humboldt Universität zu Berlin gegründet.

2.4.2 Ausführungen zu den Kompetenzbereichen Für den Physikunterricht wurden folgende vier Kompetenzbereiche festgelegt: „Fachwissen“ , „Erkenntnisgewinnung“ , „Kommunikation“ und „Bewertung“ (KMK 2004b, 8 ff.).

2.4 Bildungsstandards und Kompetenzen 861 862 863 864 865 866 867 868 869 870 871 872 873 874 875 876 877 878 879 880 881 882 883 884 885 886 887 888 889 890 891 892 893 894 895 896 897 898 899 900 901 902 903

Die Standards zu „Fachwissen“ und „Erkenntnisgewinnung“ entsprechen herkömmlichen Zielen des Physikunterrichts der Sekundarstufe I. Verglichen mit herkömmlichen Lehrplänen wird den Kompetenzbereichen „Kommunikation“ und „Bewertung“ eine größere Bedeutung zugeschrieben. Die entsprechenden Standards nach KMK (2004b) sind hier vollständig aufgeführt. 1. Fachwissen Unter Fachwissen wird die Kenntnis physikalischer Phänomene, Begriffe, Prinzipien, Fakten und Gesetzmäßigkeiten verstanden, sowie die Fähigkeit, diese den Basiskonzepten („Leitideen“) zuzuordnen, nämlich Materie, Wechselwirkungen, Systeme und Energie. „Physikalisches Fachwissen, wie es durch die vier Basiskonzepte charakterisiert wird, beinhaltet Wissen über Phänomenen, Begriffe, Bilder, Modelle und deren Gültigkeitsbereiche sowie über funktionale Zusammenhänge und Strukturen. Als strukturierter Wissensbestand bildet das Fachwissen die Basis zur Bearbeitung physikalischer Probleme und Aufgaben“ (KMK 2004b, 8). • Zum Basiskonzept „Materie“ gehören der Aufbau und die Struktur von Materie, sowie die verschiedenen Aggregatszustände, die sich durch äußere Einwirkungen ändern können. Als Beispiele dafür sind Form und Volumen von Körpern, das Teilchenmodell, die brownsche Bewegung, Atome, Moleküle und Kristalle angegeben. • Das Basiskonzept „Wechselwirkung“ beinhaltet Vorgänge, bei denen Körper sich gegenseitig beeinflussen und Verformungen oder Bewegungsänderungen hervorrufen. Ebenfalls aufgeführt wird die Einwirkung von Körpern über Felder und die Wechselwirkung von Strahlung und Materie. Folgende Beispiele werden genannt: Kraftwirkungen, Trägheitsgesetz, Wechselwirkungsgesetz, Impuls oder Impulsübertragung, Kräfte zwischen Ladungen, Schwerkraft oder Kräfte zwischen Magneten, außerdem Stichworte aus der geometrischen Optik, Farben, aus der Wärmelehre „Treibhauseffekt“, „globale Erwärmung“, „ionisierende Strahlung“ (s. KMK 2004b, 8 f.). • „Systeme“ können im Gleichgewicht sein oder auch durch Störung von außen in einen Ungleichgewichtszustand kommen. Folgen solcher gestörten Gleichgewichte können Schwingungen oder Ströme sein. Bei der Leitidee „Systeme“ geht es zum Beispiel um Kräftegleichgewicht, aber auch um Druck-, Temperatur- und Potentialunterschiede und deren Folgen wie der elektrische Stromkreis oder thermische Ströme (s. KMK 2004b, 9).

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Kompetenzbereich „Fachwissen“

Vier Basiskonzepte

Materie

Wechselwirkungen

Systeme

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Energie

2 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht • Das Konzept „Energie“ beschäftigt sich mit den verschiedenen Energieformen, der Umwandlungen von einer Form in andere, dem Energiefluss und der Energieerhaltung. Die Schülerin/ der Schüler lernt die Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen, die Wind- und Sonnenenergie sowie die Kernenergie kennen, ebenso die Funktionsweise von Generator und Transformator, von Motoren und Wärmepumpen. Die Begriffe „Wärmeleitung“, Stahlung“, „Wirkungsgrad“ und „Entropie“ gehören ebenfalls zu dieser Leitidee (s. KMK 2004b, 9). Fünf Standards (Ziel-/Kompetenzenformulierungen) sollen den Kompetenzbereich „Fachwissen“ erläutern:

Kompetenzformulierungen

„F1