„Physikdidaktik – Theorie und Praxis“ ist ein Sammelband, der dynamisch gewachsen ist. Der Teil I wurde im Jahre 2000 in erster Linie für Studierende des Lehramts Physik konzipiert.
Der Teil II zeigt Konkretisierungen und im Unterricht erprobte Beispiele zu neueren didaktischen und methodischen Ansätzen, die aus der Pädagogik und der allgemeinen Didaktik für die Physikdidaktik aufbereitet wurden.
Die Physikdidaktik befasst sich natürlich auch mit der Frage, welche Elemente aus der modernen Physik in den Unterricht eingehen können und sollen. Vor der Aufbereitung der Inhalte für den Unterricht, mit Vereinfachungen und angemessenen didaktischen Reduktionen, steht die Sachanalyse und die Zusammenfassung von interessanten Themen aus aktuellen experimentellen und theoretischen Arbeitsgebieten der Physik (Teil III). In der vorliegenden 3. Ausgabe eines Gesamtbandes „Physikdidaktik – Theorie und Praxis“ wurden Astrophysik, Elementarteilchenphysik und Biophysik als interessante Beispiele aus der aktuellen physikalischen Forschung ganz neu aufgenommen und durch ausgewiesene Experten dargestellt.
Inhaltsverzeichnis
I Physikdidaktik
1 Einführung: Was ist Physikdidaktik? 3
Ernst Kircher
1.1 Was ist Physik? 5
1.2 Was ist Didaktik? 6
1.3 Physikdidaktik: Forschung und Lehre über Physikunterricht 9
1.4 Studienziele - physikdidaktische Kompetenzen 12
Literatur 14
2 Warum Physikunterricht? 15
Ernst Kircher
2.1 Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen - ein Rückblick 18
2.1.1 Zur Bildungstheorie und zu ihrem Einfiuss auf den Physikunterricht 18
2.1.2 Pragmatische Schultheorie und naturwissenschaftlicher Unterricht 22
2.1.3 Zusammenfassende Bemerkungen 27
2.2 Die physikalische Dimension des Physikunterrichts 28
2.2.1 Zur Entwicklung und zum Aufbau der Physik. 28
2.2.2 Zusammenfassung 33
2.2.3 Über die Natur der Naturwissenschaften lernen 34
2.2.4 Zusammenfassende Bemerkungen 38
2.3 Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts 39
2.3.1 Die moderne technische Gesellschaft 40
2.3.2 Veränderte Einsteilungen zur Technik - Wertewandel 42
2.3.3 Technik- und Wissenschaftsethik 44
2.3.4 Naturwissenschaftlicher Unterricht und das Prinzip Verantwortung 46
2.3.5 Umwelterziehung und Bildung der Nachhaltigkeit 47
2.3.6 Zusammenfassende Bemerkungen 49
2.4 Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts SO
2.4.1 Die übergangene Sinnlichkeit im Physikunterricht - eine Kritik 51
2.4.2 Schulphysik als Umgang mit den Dingen der Realität 53
2.4.3 Begegnung mit den Dingen der Realität in der Schulphysik 55
2.4.4 Schülervorstellungen und humanes Lernen 58
2.4.5 Zusammenfassung 60
2.5 Grundlagen dieser Physikdidaktik 61
2.5.1 Dimensionen der Physikdidaktik 61
2.5.2 Leitideen, physikdidaktische Dimensionen und methodische Prinzipien 65
2.5.3 Perspektiven des naturwissenschaftlichen Unterrichts 66
2.6 Ergänzende und weiterführende Literatur 68
Literatur 69
3 Ziele und Kompetenzen im Physikunterricht 75
Ernst Kircher
3.1 Wie kommt man zu Zielen? 77
3.1.1 Die didaktische Analyse im Physikunterricht 77
3.1.2 Gesichtspunkte für die Inhaltsauswahl - Fragenkatalog für die didaktische Analyse 81
3.1.3 Schritte einer didaktischen Analyse 83
3.2 Lernziele über Lernziele 84
3.2.1 Verschiedene Zielebenen 84
3.2.2 Zielklassen und Anforderungsstufen 87
3.3 Physikdidaktische Zielklassen 89
3.3.1 Konzeptziele (Begriffliche Ziele) 89
3.3.2 Prozessziele (Fähigkeiten und Fertigkeiten) 90
3.3.3 Soziale Ziele 90
3.3.4 Ziele über Einstellungen und Werte 91
3.3.5 Zusammenfassung 92
3.4 Bildungsstandards und Kompetenzen 93
3.4.1 Allgemeine administrative Festlegungen 93
3.4.2 Ausführungen zu den Kompetenzbereichen 94
3.4.3 Erwartungshorizont von Aufgaben 97
3.4.4 Anmerkungen zu den Bildungsstandards für den Physikunterricht 99
3.5 Sachstrukturdiagramme - Lernzielformulierungen 101
3.5.1 Sachstrukturdiagramme 101
3.5.2 Wie werden Lernziele formuliert? 103
3.6 Ergänzende und weiterführende Literatur 103
Literatur 104
4 Elementarisierung und didaktische Rekonstruktion 107
Ernst Kircher
4.1 Elementarisieren - didaktisch rekonstruieren: Wie macht man das? 109
4.1.1 Pestalozzis Traum - nicht nur historische Bemerkungen 109
4.1.2 Kriterien der didaktischen Rekonstruktion III
4.1.3 Heuristische Verfahren der didaktischen Rekonstruktion 114
4.2 Didaktische Rekonstruktionen von begrifflichen und technischen Systemen 116
4.2.1 Ein Grundmuster des Physikunterrichts 116
4.2.2 Vereinfachung durch Experimente 118
4.2.3 Vereinfachung durch ikonische Darstellungen 119
4.2.4 Vereinfachung durch symbolische Darstellungen 122
4.2.5 Elementarisierung technischer Systeme 124
4.3 Elementarisierung durch Analogien 125
4.3.1 Was sind Analogien? 125
4.3.2 Beispiel: Die Wasseranalogie zum elektrischen Stromkreis 127
4.3.3 Notwendige Bedingungen für Analogien im Physikunterricht 128
4.3.4 Zusammenfassung: Analogien im Physikunterricht 129
4.4 Ober die Elementarisierung physikalischer Objekte und Methoden 132
4.4.1 Zur Elementarisierung physikalischer Objekte 132
4.4.2 Elementarisierung physikalischer Methoden 133
4.5 Zusammenfassung und Ausblick 136
4.6 Ergänzende und weiterführende Literatur 137
Literatur 137
5 Methoden im Physikunterricht 141
Ernst Kircher
5.1 Methodische Großformen 144
5.1.1 Offener Unterricht - Freiarbeit 144
5.1.2 Spiele im Physikunterricht 147
5.1.3 Das Projekt 152
5.1.4 Die Unterrichtseinheit - der Kurs 158
5.2 Unterrichtskonzepte des Physikunterrichts 160
5.2.1 Exemplarischer Unterricht 160
5.2.2 Genetischer Unterricht 162
5.2.3 Entdeckender Unterricht 165
5.2.4 Darbietender Unterricht 167
5.3 Artikulationsschemata - wie eine Unterrichtsstunde gegliedert wird 168
5.3.1 Übersicht über einige Artikulationsschemata 168
5.3.2 Die Phase der Motivation 171
5.3.3 Zur Phase der Erarbeitung 175
5.3.4 Zur Phase der Vertiefung 176
5.4 Sozialformen im Physikunterricht 179
5.4.1 Gruppenunterricht 180
5.4.2 Individualisierter Unterricht 185
5.4.3 Frontalunterricht 186
5.5 Checkliste Lehrerverhalten 188
5.6 Ergänzende und weiterführende Literatur 190
Literatur 190
6 Medien im Physikunterricht 193
Raimund Girwidz
6.1 Begriffe und Klassifikationen 195
6.1.1 Medium, Medienpädagogik, Mediendidaktik 196
6.1.2 Klassifikationsschemata für Unterrichtsmedien 197
6.2 Grundlagenwissen zum Medieneinsatz 200
6.2.1 Wahrnehmung und Gedächtnis 200
6.2.2 Symbolsysteme und kognitive Repräsentation 204
6.2.3 Bildhafte Darstellungen 205
6.3 Bilder und Texte im Physikunterricht 208
6.3.1 Die Funktion von Bildern 208
6.3.2 Zum Instruktionsdesign mit Bildmedien 211
6.3.3 Texte im Physikunterricht 212
6.4 Die klassischen Medien 215
6.4.1 Die Wandtafel 216
6.4.2 Das Arbeitsblatt 217
6.4.3 Das Schulbuch 219
6.4.4 Der Arbeitsprojektor 221
6.4.5 Weitere Projektionsgeräte 224
6.4.6 Film- und Videotechnik - DVD und Videodisk 224
6.4.7 Weitere Medien 227
6.5 Experimente im Physikunterricht 228
6.5.1 Experiment, Schulversuch und Medium 228
6.5.2 Funktionelle Aspekte 229
6.5.3 Klassifikation physikalischer Scfiulexperimente 232
6.5.4 Empfehlungen für die Unterrichtspraxis 235
6.6 Schülerexperimente 240
Literatur 242
7 Wie lässt sich der Lernerfolg messen? 247
Peter Häußler
7.1 Allgemeine Kriterien und Verfahren zur Messung des Lernerfolgs 250
7.1.1 Gütekriterien zur Messung des Lernerfolgs 250
7.1.2 Was kann und soll mit der Messung des Lernerfolgs bezweckt werden? 253
7.1.3 Welche unterschiedliche Typen von Bewertungsverfahren gibt es? 255
7.2 Wie misst man den Lernerfolg im kognitiven Bereich? 257
7.2.1 Wie erfasst man kognitive Leistungen? 257
7.2.2 Schriftliche Verfahren zur Bewertung kognitiver Leistungen 258
7.2.3 Lückentextaufgaben 260
7.2.4 Multiple-Choice- und Zuordnungsaufgaben 260
7.2.5 Begriffsnetze (Concept maps) 262
7.2.6 Aufgaben mit freier Antwort 265
7.2.7 Aufsätze 266
7.2.8 Sammeln von Evidenzen (Portfolio-Methode) 268
7.2.9 Sieben Fehler bei der Formulierung schriftlicher Aufgaben 270
7.3 Wie misst man den Lernerfolg im nichtkognitiven Bereich? 276
7.3.1 Typen von Messverfahren 276
7.3.2 Messung von Kooperation vs. Konkurrenz 280
7.3.3 Messung der motivierenden Wirkung des Unterrichts 280
7.3.4 Messung von Interessen 281
7.3.5 Messung von Einstellungen 282
7.3.6 Messung des emotionalen Gehalts von Begriffen 282
7.3.7 Verfahren, die auf Beobachtung beruhen 284
7.4 Tests 285
7.4.1 Tests aus dem nichtkognitiven Bereich 285
7.4.2 Zusammenstellung der beschriebenen Verfahren 291
Literatur 292
8 Planung und Analyse von Physikunterricht 295
Ernst Kircher
8.1 Unterrichtsplanung 297
8.1.1 Planungsmodelle 297
8.1.2 Der Unterrichtsentwurf 300
8.1.3 Vorüberlegungen 301
8.1.4 Die Unterrichtsskizze 305
8.1.5 Schritte offener Unterrichtsplanung 306
8.2 Analyse einer Unterrichtseinheit 309
8.2.1 Unterrichtsbeobachtung 310
8.2.2 Nachbesprechung - es ist noch kein Meister vom Himmel gefallen 313
8.2.3 Analysekriterien für die 2. Phase der Lehrerbildung 315
8.2.4 Abschließende Bemerkungen 318
Literatur 318
II Physikdidaktik in der Praxis
9 Aktuelle Methoden I - Projekte 323
Johannes Günther, Ellen Günther, Thomas Wilhelm
9.1 "Die Sonne schickt uns keine Rechnung"-eine Projektwoche 325
9.1.1 Physikalische und technische Grundlagen 325
9.1.2 Überblick über das Unterrichtsprojekt 328
9.1.3 Projektverlauf 330
9.1.4 Schülerexperimente 334
9.1.5 Zusammenfassung 336
9.2 Projekt"lnduktionsmotoren" 337
9.2.1 Fachliches - Ideen für Schüleraktivitäten 338
9.2.2 Lernvoraussetzungen für das Projekt 340
9.2.3 Schüleraktivitäten in den Gruppen 343
9.2.4 Abschließende Bemerkungen 350
Literatur 351
10 Aktuelle Methoden II - Lernzirkel 353
Ernst Kircher, Daniela Lieb, Wolfgang Reusch, Thomas Gessner
10.1 Lernzirkel "Einführung in die Akustik" 355
10.1.1 Ziele, Lernbereiche und Stationen 355
10.1.2 Fachliche Grundlagen 358
10.1.3 Unterrichtsmaterialien 362
10.1.4 Zur Evaluation des Lernzirkels 365
10.2 Lernzirkel"Laser" 367
10.2.1 Lernvoraussetzungen, Inhalte und Organisation 367
10.2.2 Elementarisierung und didaktische Rekonstruktion des Lasers 368
10.2.3 Die Stationen des Lernzirkels 373
10.2.4 Erfahrungen bei der Durchführung 379
10.2.5 Anhang: Neue Laserschutzklassen 380
Literatur 381
11 Aktuelle Methoden III - Spiele 383
11.1 Gespielte Physik - spielerische Physik 384
11.2 Konstruktionsspiele - technische Kreativität 385
11.3 Gespielte Analogien - modellhaftes Lernen 389
11.4 Sinnhafte Spiele-ursprüngliches Verstehen 395
Literatur 400
12 Neue Medien und Multimedia 401
Raimund Girwidz
12.1 Oer Computer im Physikunterricht 402
12.2 Multimedia in der Anwendung 405
12.3 Das Internet 413
12.3.1 Schwierigkeiten bei Internetrecherchen 413
12.3.2 Information ordnen,
Wissen vorstrukturieren 414
12.3.3 Aufgabenkultur für Internetrecherchen 416
12.3.4 Grundstrategien für Internetrecherchen 418
12.4 E-Learning und Web 2.0 418
12.4.1 Blended Learning 419
12.4.2 Web 2.0 421
12.5 Mobile Physik mit Smartphones und Tablets 424
12.6 Resümee 425
Literatur 426
13 Physikalische Fachkonzepte anbahnen - Anschlussfähigkeit verbessern 429
Rita Wodzinski
13.1 Einführung 430
13.2 Forderungen an den modernen naturwissenschaftlichen Sachunterricht 430
13.3 Hindernisse bei der Umsetzung der Forderungen 432
13.4 Ansatzpunkt Basiskonzepte 434
13.5 Überlegungen zu möglichen Basiskonzepten für den Sachunterricht 436
13.5.1 Das Konzept der Erhaltung der Materie 436
13.5.2 Das Teilchenkonzept. 437
13.5.3 Das Konzept der Energie 439
13.5.4 Das Konzept der Wechselwirkung 442
13.6 Alternative Konzeptionen 443
13.6.1 Das Projekt 2061 -"Benchmarks for science education" 443
13.6.2 Das Nuffieid Projekt SPACE 445
13.6.3 Ergebnisse einer Arbeitsgruppe zur Abstimmung der Fachinhalte zwischen Primar
und Sekundarstufe 446
13.6.4 Naturwissenschaftliche Methoden versus naturwissenschaftliche Konzepte 446
13.7 Ansatzpunkte für die Arbeit an Schulen 448
Literatur 448
14 Physikaufgaben 451
Alexander Kauertz, Patrick Löffler, Hans E. Fischer
14.1 Definition von Aufgaben 453
14.2 Merkmale von Aufgaben 454
14.3 Aufgabeneinsatz in Unterricht und
Test 457
14.4 Die Qualität von Aufgaben 465
14.5 Zusammenfassung 467
14.6 Anhang 469
Literatur 474
III Physikdidaktik in der Praxis
15 Quantenphysik 479
Dr. Josef Küblbeck
15.1 Vorbemerkungen 480
15.2 Experimente der Quantenphysik 480
15.2.1 Experimente, die mit Quantelung erklärt werden können 481
15.2.2 Experimente, die man stochastisch beschreibt 482
15.2.3 Experimente, die man mit Interferenz erklärt 483
15.2.4 Experimente zum Komplementaritätsprinzip 484
15.3 Vorstellungen zur Quantenphysik 485
15.3.1 Quantenobjekte als kleine Kügelchen 485
15.3.2 Quantenobjekte als Wellen 486
15.3.3 Welle oder Kügelchen, je nach Experiment 487
15.3.4 Etwas verteiltes Stoffliches 488
15.3.5 Die Kopenhagener Interpretation 489
15.3.6 Unbestimmtheit und Schrödingers Katze 490
15.3.7 Zur Nichtlokalität 491
15.4 Formalismen für Vorhersagen 492
15.4.1 Der verbale Formalismus für Interferenz und Komplementarität 492
15.4.2 Der Zeiger-Formalismus 495
15.4.3 Der Formalismus mit den Wahrscheinlichkeitspaketen 497 ...