IQSH Physik 21.10. - Lehrpläne
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Biologie Chemie Deutsch Französisch Kunst Latein Mathematik Musik Philosophie Physik Englisch ev. Religion Geographie Geschichte kath. Religion Sport Orientierungshilfe G8 für die Sekundarstufe I Physik IQSH Impressum Orientierungshilfe G8 für die Sekundarstufe I Physik Herausgeber Institut für Qualitätsentwicklung an Schulen Schleswig-Holstein (IQSH) Schreberweg 5, 24119 Kronshagen Bestellung Brigitte Dreessen Tel.: 0431 / 54 03 148 Fax: 0431 / 54 03 200 [email protected] Download der pdf-Datei: http://faecher.lernnetz.de www.iqsh.schleswig-holstein.de Verantwortlich für den Inhalt Dr. Heiner Schwarze, IQSH Dr. Kai Niemann, MBF Fachübergreifende Leitung und Koordination Dr. Thomas Riecke-Baulecke, IQSH Sabine Dörnhaus, IQSH Michael Tholund, MBF Gestaltung Umschlag bdrops Werbeagentur, Kiel Gestaltung Innenteil Textwerkstatt Dr. Feldner, Kiel Druck Druckerei Schmidt & Klaunig, Kiel © September 2008 1. Auflage / 500 Bestellnummer: 22/2008 Vorwort Die Verkürzung des gymnasialen Bildungsgangs auf eine Schulzeit von 8 Jahren findet gegenwärtig im Rahmen eines Konzepts von Veränderung im Bildungsbereich statt, das einerseits auf eine zentralistische Steuerung verzichtet, weil sie sich als ineffizient erwiesen hat und die innovativen Kräfte vor Ort nicht zur Entfaltung kommen lässt, andererseits die Entwicklung in den einzelnen Schulen im Interesse der Gleichheit der Bildungschancen nicht der Beliebigkeit anheimgibt. Wie in anderen Bundesländern auch, wird ein Mittelweg zwischen Standardisierung und Individualisierung, zwischen normativen Vorgaben und Selbstorganisation, beschritten: Die Landesbehörden geben Bildungsstandards und entsprechende Lehrpläne vor, die an nationalen und internationalen Standards und Vergleichswerten orientiert sind, die einzelnen Schulen erhalten Gestaltungsfreiheit in den Mitteln und Wegen, diese zu erreichen. Die Erfüllung der Standards wird durch regelmäßige zentrale Lernstandserhebungen sowie zentrale und teilzentrale Abschlussprüfungen überprüft, um die Vergleichbarkeit von Abschlüssen zu sichern. Diese doppelte Zielsetzung – Qualitätssicherung und mehr Freiräume für die Schulen – ist auch leitend bei der Umstellung des gymnasialen Bildungsganges auf G8. Werden dabei entsprechend dem o.g. Ansatz die Beteiligten vor Ort aktiv in die Veränderungsprozesse einbezogen und wird auf ein „Durchsteuern“ von oben nach unten durch bis ins Letzte detaillierte Vorgaben verzichtet, so entstehen für die Schulen Freiräume, deren eigenverantwortliche Gestaltung einen hohen Aufwand an Entwicklungsarbeit verlangt. Bei dieser Aufgabe dürfen die Schulen nicht allein gelassen, sondern müssen prozessbegleitend unterstützt werden. Insbesondere kommt es darauf an, • • • Klarheit über die normativen Vorgaben zu schaffen, Die Gestaltungsspielräume und Entscheidungsfelder für das eigenverantwortliche Handeln zu beschreiben und Anregungen für die schulinterne Entwicklungsarbeit zu geben. Diesem Zweck dienen die folgenden Orientierungshilfen. An der Erarbeitung der Orientierungshilfen waren Fachberaterinnen und Fachberater der Fächer sowie Studienleiterinnen und Studienleiter des IQSH in Zusammenarbeit mit den Fachaufsichten des MBF unter Einbezug der Expertise von Schulleitungen, Lehrkräften und Verbänden sowie Vertreter der Wissenschaft und der Eltern beteiligt. Ihnen allen gilt unser herzlicher Dank. Dr. Claudia Langer Inhalt: Einleitung 6 1 Perspektive des Faches 8 2 Kompetenzerwartungen 9 3 Aufgabenbeispiele 13 4 Hinweise zum schulinternen Fachcurriculum 17 5 Anhang 30 Erlass (August 2008) Anzahl und Art der Leistungsnachweise in der Primar- und Sekundarstufe I 31 Einleitung Zur Funktion und Entstehung der Orientierungshilfen für die Fächer 1 Das Schuljahr 2008/09 bringt mit der Verkürzung des gymnasialen Bildungsgangs (G8) eine Reihe von Umgestaltungsaufgaben mit sich. Eine wesentliche Veränderung bezieht sich auf die gemeinsame innerschulische curriculare Planung. Diese Broschüre bietet den Fachkonferenzen eine Orientierungshilfe für ihre Arbeit an ihrem schulinternen Fachcurriculum. Sie soll die Schulen im Prozess der Unterrichtsentwicklung unterstützen. Dabei werden die von Schule zu Schule und von Fach zu Fach unterschiedlichen „Zwischenstände“ mit ins Auge gefasst. Die Orientierungshilfen • dienen der Selbstvergewisserung: „Passt unser schulisches Konzept?“ – „Sind wir auf dem richtigen Weg?“ • geben nützliche Starthilfe bzw. Hinweise zur Weiterarbeit: „Wo stehen wir?“ – „Wo wollen wir hin?“ – „Was ist zu beachten?“ Zu den Rahmensetzungen für die Fachkonferenzarbeit gehören • die Verkürzung des gymnasialen Bildungsgangs auf eine Schulzeit von 8 Jahren unter Beibehaltung des bisherigen Umfanges der Unterrichtszeit ab dem Schuljahr 2008/09 gemäß Gymnasialverordnung. • die Einführung der Kontingentstundentafel ab dem Schuljahr 2008/09, die den Schulen Gestaltungsentscheidungen bei der Verteilung der Stundenkontingente einräumt. • die Ausrichtung des Unterrichts an definierten Kompetenzerwartungen, wie sie z.B. in den Bildungsstandards (2004) festgelegt wurden. Diese stärken die Bildungschancen durch rechtzeitige Evaluation und Diagnostik, indem vereinbarte und tatsächlich von den Lernenden erzielte Lernergebnisse verglichen werden können. • die Durchführung normierter Vergleichsarbeiten in den Klassenstufen 6 und 8 als Rückmeldeinstrument der Lernstände bezogen auf die Bildungsstandards (Deutsch, Mathematik, Englisch). Diese Vergleichsarbeiten können einen Leistungsnachweis ersetzen, werden aber nicht benotet. • der geänderte Klassenarbeitenerlass. Die Anzahl und Formen der Leistungsnachweise ist in einem gesonderten Erlass neu geregelt (s. Seite 31). • die Doppelfunktion für Klasse 10 als Ende der Sekundarstufe I mit dem Erreichen des Mittleren Schulabschlusses und als Einführungsphase in die Sekundarstufe II. • die Einführung des Mittleren Bildungsabschlusses an den Gymnasien. Dabei kann auf Bekanntes zurückgegriffen werden: Die geltenden Lehrpläne stellen weiterhin einen verbindlichen Rahmen dar und bieten somit eine verlässliche Grundlage für die unterrichtliche Arbeit. Gleichzeitig geben die Lehrpläne von 1997 in einer Öffnungsklausel den Auftrag an die Schulen zur Weiterentwicklung und Modifikation der Pläne, wenn „künftige Erfordernisse“ dieses verlangen: 1 Orientierungshilfen sind für die folgenden Fächer erarbeitet worden: Deutsch, Mathematik, Englisch, Französisch, Latein, Kunst, Musik, Sport, evangelische und katholische Religion, Philosophie, Geschichte, Geographie, Physik, Biologie, Chemie. 6 „Innerhalb dieses Rahmens eröffnen die Lehrpläne allen an Schule Beteiligten vielfältige Möglichkeiten zur pädagogischen Gestaltung und Weiterentwicklung ihrer Schule. Sie schaffen Freiräume für eigene Initiativen und selbstverantwortete Wege, für kollegiale Zusammenarbeit und erweiterte Mitwirkung. Diese Freiräume sind auch notwendig, um auf die Situation der jeweiligen Schülerinnen und Schüler und die besonderen Gegebenheiten der einzelnen Schule gezielt eingehen sowie entsprechende Umsetzungsprozesse in Gang bringen zu können. Der angemessene Umgang mit den Lehrplänen schließt auch die Freiheit für die Lehrkräfte ein, das Konzept der Lehrpläne in eigener pädagogischer Verantwortung auszugestalten, es erprobend weiterzuführen und für künftige Erfordernisse offenzuhalten.“ (Einleitungstext zu den Lehrplänen Sekundarstufe I, S.3) Das im Schulgesetz von 2007 verankerte Planungsinstrument des schulinternen Fachcurriculums (§ 66, Abs.3, Satz 2.) gibt den Schulen den Auftrag, diese Freiräume zu nutzen und durch verbindliche Absprachen auszufüllen. Die Orientierungshilfen • verstehen sich als Empfehlungen zur Umsetzung von G8. Sie unterstützen die Fachkonferenzen bei der Erarbeitung schulinterner Fachcurricula. • enthalten Hinweise zu normativen Vorgaben (Bedingungsfelder) und zeigen Gestaltungsspielräume als Entscheidungsfelder auf. • nehmen Bezug auf aktuelle didaktische und methodische Überlegungen. • geben durch fachbezogene exemplarische Darstellungen Erläuterungen zu geltenden Lehrplänen und ggf. vorliegenden Bildungsstandards. • illustrieren durch Aufgabenbeispiele die Kompetenzerwartungen für die Klassenstufen 6, 8 und 9. • zeigen exemplarisch auf, welche Entscheidungen sich in der Verteilung der Stundenkontingente auf die schulinterne curriculare Planung auswirken und geben hierzu Anregungen. • stellen Kriterien zur Einschätzung von Lern- / und Lehrmaterialien bereit. • weisen auf weitere geeignete Materialien hin. Das IQSH bittet um Rückmeldung und ist an konkreten Arbeitsergebnissen aus den Schulen interessiert: [email protected] 7 Orientierungshilfe G8 Physik 1 Perspektive des Faches Mit der Umstellung auf den achtjährigen gymnasialen Bildungsgang (G8) und der gleichzeitigen Einführung der Kontingentstundentafel kommt auf die Schulen (Fachkonferenzen, Schulkonferenzen, Schulleitungen) eine Reihe von Veränderungen und Aufgaben zu. Der Lehrplan Physik für die Sekundarstufe I (1997) [1] ist den geänderten Rahmenbedingungen anzupassen. Die KMK-Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss [2] (Standards) sind Vorgaben, die mit dem Lehrplan [1] vereinbar sind und keine Neufassung erforderlich machen. Die KMK-Bildungsstandards liefern Entscheidungshilfen bei der Schwerpunktsetzung von Inhalten und Handlungsdimensionen, die bei der Anpassung an die Rahmenbedingungen des G8 Physikunterrichts zu berücksichtigen sind. Weiterhin sind die Kompetenzentwicklung der Schülerinnen und Schüler und die Kompetenzerwartungen für die Jahrgänge 6, 8 und 9/10 anhand der Standards zu konkretisieren. Anpassungsbedarf und Kontingentstundentafel Die Kontingentstundentafel ermöglicht für den Physikunterricht unterschiedliche Wochenstundenzahlen in einer bestimmten Klassenstufe. Während der G9 Physikunterricht mit jeweils zwei Wochenstunden in den Klassenstufen 7 bis 10 auf insgesamt 8 Wochenstunden angelegt ist, wird der G8 Physikunterricht durch die Kontingentstundentafel organisatorisch aufgeteilt in den Unterricht in den Klassenstufen 7 bis 9 und den in den Klassenstufen 5 und 6. Das kann dazu führen, dass die Zahl von insgesamt 8 Wochenstunden Physik erhalten bleibt, sich vergrößert oder sich verringert. Den unterschiedlichen Rahmenbedingungen des Physikunterrichts Rechnung zu tragen und diese hinsichtlich der Unterrichtsentwicklung zu bewerten und zu optimieren, stellt eine Herausforderung dar, die sich im Wesentlichen an die Fachkonferenzen der Gymnasien richtet. Das gilt besonders dann, wenn bereits im Schuljahr 2008/2009 mit dem Physikunterricht in Klasse 5 begonnen wird. An anderen Gymnasien wird Physikunterricht erst im folgenden Schuljahr in Klasse 6 erteilt. In diesem Fall besteht ein größerer zeitlicher Spielraum für konzeptionelle Entscheidungen. Die Unterschiedlichkeit der Konzeptionen macht einen Abgleich, der auf die Standards [2] Bezug nimmt, notwendig. Dazu sollen die im Folgenden vorgestellten Fallbeispiele und Argumentationslinien dienen, die von den Fachkonferenzen Physik der Gymnasien in Schleswig-Holstein bereits entwickelt wurden. Die Reihenfolge der Beispiele wird einen zunehmenden Änderungsbedarf bezogen auf die im Lehrplan [1] genannte Zuordnung der Themenbereiche zu den Klassenstufen und besonders auf die Ausgestaltung der Themenbereiche selbst widerspiegeln. Die Hinweise zu den jeweils ausgewählten Beispielen werden diesen Zusammenhang verdeutlichen und Argumentationshilfen für die Arbeit der Fachkonferenzen Physik liefern. Damit soll sichergestellt werden, dass die mit der jeweiligen Konzeption des Unterrichts verbundenen Erwartungen eingelöst werden, die in den Kompetenzerwartungen für die Jahrgänge 6, 8 und 9/10 des Gymnasiums konkretisiert sind. Weiterhin gewinnt die Kooperation mit anderen Unterrichtsfächern, besonders mit Mathematik, Chemie und Biologie an Bedeutung. Dies gilt besonders dann, wenn die in dem einen Fach gegenüber dem anderen erhöhte Wochenstundenzahl die Kompetenzentwicklung der Schülerinnen und Schüler umverlagert. Letztlich können die Erfahrungen aus anderen Bundesländern bei der Umstellung auf G8 als Orientierungshilfe dienen. 8 Orientierungshilfe G8 Physik 2 Kompetenzerwartungen Die KMK-Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss [2] legen für das Fach Physik die vier Kompetenzbereiche Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung fest und beschreiben die notwendige physikalische Grundbildung. Kompetenzbereiche im Fach Physik Fachwissen Physikalische Phänomene, Begriffe, Prinzipien, Fakten, Gesetzmäßigkeiten kennen und Leitideen zuordnen Erkenntnisgewinnung Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen Kommunikation Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen Bewertung Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten Schülerinnen und Schüler mit einem Mittleren Bildungsabschluss müssen in Physik Kompetenzen aufweisen, die neben den Fachinhalten auch die Handlungsdimension berücksichtigen. Der Kompetenzbereich Fachwissen wird durch die folgenden vier Leitideen charakterisiert: 1. Materie Beispiele Körper können verschiedene Aggregatzustände annehmen. Diese können sich durch äußere Einwirkungen ändern. Form und Volumen von Körpern Körper bestehen aus Teilchen. Teilchenmodell, Brownsche Bewegung Materie ist strukturiert. Leitungsvorgänge, Kernspaltung 2. Wechselwirkung Beispiele Wenn Körper aufeinander einwirken, kann eine Verformung oder eine Änderung der Bewegungszustände der Körper auftreten. Kraftwirkungen, Trägheitsgesetz, Wechselwirkungsgesetz, Impuls Körper können durch Felder aufeinander einwirken. Kräfte zwischen Ladungen, Schwerkraft, Kräfte zwischen Magneten, Induktion Strahlung kann mit Körpern wechselwirken, dabei können sich Strahlung und Körper verändern. Reflexion, Brechung, Totalreflexion, Farben, Farbwahrnehmung, Treibhauseffekt, globale Erwärmung, ionisierende Strahlung 3. Systeme Beispiele Stabile Zustände können durch Gleichgewichte bewirkt werden. Kräftegleichgewicht, thermisches Gleichgewicht (Fließgleichgewicht), Druckgleichgewicht Gestörte Gleichgewichte können Ströme und Schwingungen hervorrufen. Druck, Temperatur bzw. Potenzialunterschiede und die verursachten Strömungen Ströme benötigen einen Antrieb (Ursache) und können durch Widerstände in ihrer Stärke beeinflusst werden. Elektrischer Stromkreis, thermische Ströme 9 Orientierungshilfe G8 Physik 4. Energie Beispiele Nutzbare Energie kann aus erschöpfbaren und regenerativen Quellen gewonnen werden. fossile Brennstoffe, Wind- und Sonnenenergie, Kernenergie Beim Transport und bei der Nutzung der Energie kann eine Änderung der Energieform stattfinden bzw. der Energieträger gewechselt werden. Dabei kann nur ein Teil der eingesetzten Energie für den eigentlichen Zweck genutzt werden. Generator, Motor, Transformator, Wirkungsgrad, Abwärme, Energieentwertung, Entropie Die Gesamtheit der Energien bleibt konstant. Pumpspeicherwerk, Akkumulator, Wärmepumpe (Kühlschrank) Bei Körpern unterschiedlicher Temperatur findet ein Energiefluss von alleine nur von höherer zu niedrigerer Temperatur statt. Wärmeleitung, Strahlung, Physikalisches Fachwissen, wie es durch die vier Leitideen charakterisiert wird, beinhaltet Wissen über Phänomene, Begriffe, Bilder, Modelle und deren Gültigkeitsbereiche sowie über funktionale Zusammenhänge und Strukturen. Als strukturierter Wissensbestand bildet das Fachwissen die Basis zur Lösung von Aufgaben. Für den Kompetenzbereich Fachwissen wie für die drei weiteren Kompetenzbereiche Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung werden Regelstandards formuliert: Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen Physikalische Phänomene, Begriffe, Prinzipien, Fakten, Gesetzmäßigkeiten kennen und Leitideen zuordnen Die Schülerinnen und Schüler F1 verfügen über ein Basiswissen, strukturiert nach (oben) beschriebenen Leitideen Materie, Wechselwirkungen, Systeme und Energie, F2 geben ihre Kenntnisse über physikalische Grundprinzipien, Größenordnungen, Messvorschriften, Naturkonstanten sowie einfache physikalische Gesetze wieder, F3 nutzen diese Kenntnisse zur Lösung von Aufgaben und Problemen, F4 wenden diese Kenntnisse in verschiedenen Kontexten an, F5 ziehen Analogien zum Lösen von Aufgaben und Problemen heran. Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen Die Schülerinnen und Schüler E1 unterscheiden zwischen alltagssprachlicher und fachsprachlicher Beschreibung von Phänomenen, E2 beschreiben Phänomene und führen sie auf bekannte physikalische Zusammenhänge zurück, E3 wählen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen zur Bearbeitung von Aufgaben und Problemen aus, prüfen und ordnen sie, E4 verwenden Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung, E5 wenden einfache Formen der Mathematisierung an, E6 nehmen einfache Idealisierungen vor, E7 stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf, E8 planen einfache Experimente, führen sie durch und dokumentieren die Ergebnisse, E9 werten gewonnene Daten aus, ggf. auch durch einfache Mathematisierungen, E 10 beurteilen die Gültigkeit empirischer Ergebnisse und deren Verallgemeinerung. 10 Orientierungshilfe G8 Physik Standards für den Kompetenzbereich Kommunikation Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen Die Schülerinnen und Schüler K1 tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus, K2 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geräte und deren Wirkungsweise, K3 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit, K4 präsentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit adressatengerecht, K5 diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte unter physikalischen Gesichtspunkten. Standards für den Kompetenzbereich Bewertung Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten Die Schülerinnen und Schüler B1 zeigen an einfachen Beispielen die Chancen und Grenzen der physikalischen Sichtweise auf, B2 vergleichen und bewerten alternative technische Lösungen auch unter Berücksichtigung physikalischer, ökonomischer, sozialer und ökologischer Aspekte, B3 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien, B4 benennen Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen. Kompetenzentwicklung und Anforderungsbereiche Die Standards, basierend auf den vier Kompetenzbereichen, werden ergänzt durch die Kompetenzentwicklung, die an Anforderungsbereichen festgemacht wird. Zur Einschätzung der in den folgenden Aufgabenbeispielen gestellten Anforderungen wird auf drei Anforderungsbereiche zurückgegriffen, die sich in ihrer Beschreibung an den Einheitlichen Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung (EPA) orientieren. Die nachfolgenden Formulierungen zeigen charakterisierende Kriterien zur Einordnung in einen Anforderungsbereich auf. 11 Orientierungshilfe G8 Physik Anforderungsbereich Erkenntnisgewinnung Kommunikation Kompetenzbereich Fachwissen I III Wissen transferieren und verknüpfen Wissen wiedergeben Wissen anwenden Fakten und einfache physikalische Sachverhalte reproduzieren. Physikalisches Wissen in einfachen Kontexten anwenden, einfache Sachverhalte identifizieren und nutzen, Analogien benennen. Fachmethoden beschreiben Fachmethoden nutzen Physikalische Arbeitsweisen, insb. experimentelle, nachvollziehen bzw. beschreiben. Strategien zur Lösung von Aufgaben nutzen, einfache Experimente planen und durchführen, Wissen nach Anleitung erschließen. Unterschiedliche Fachmethoden, auch einfaches Experimentieren und Mathematisieren, kombiniert und zielgerichtet auswählen und einsetzen, Wissen selbstständig erwerben. Mit vorgegebenen Darstellungsformen arbeiten Geeignete Darstellungsformen nutzen Darstellungsformen selbstständig auswählen und nutzen Einfache Sachverhalte in Wort und Schrift oder einer anderen vorgegebenen Form unter Anleitung darstellen, sachbezogene Fragen stellen. Sachverhalte fachsprachlich und strukturiert darstellen, auf Beiträge anderer sachgerecht eingehen. Darstellungsformen sach- und adressatengerecht auswählen, anwenden und reflektieren, auf angemessenem Niveau begrenzte Themen diskutieren. Vorgegebene Bewertungen nachvollziehen Bewertung II Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse benennen, einfache, auch technische Kontexte aus physikalischer Sicht erläutern. Wissen auf teilweise unbekannte Kontexte anwenden, geeignete Sachverhalte auswählen. Fachmethoden problembezogen auswählen und anwenden Aussagen sachlich begründen Eigene Bewertungen vornehmen Vorgegebene Bewertungen beurteilen und kommentieren. Den Aspektcharakter physikalischer Betrachtungen aufzeigen, zwischen physikalischen und anderen Komponenten einer Bewertung unterscheiden. Die Bedeutung physikalischer Kenntnisse beurteilen, physikalische Erkenntnisse als Basis für die Bewertung eines Sachverhalts nutzen, Phänomene in einen physikalischen Kontext einordnen. Unter Leitung des IQB (Institut zur Qualitätsentwicklung im Bildungswesen, Berlin) wird an Aufgabenbeispielen für bundesweite Tests im Fach Physik zum Jahr 2012 gearbeitet [3]. Die Testaufgabenentwicklung begann zu Anfang des Jahres 2008. In diesem Jahr werden vor allem die Aufgaben für die Kompetenzbereiche Fachwissen und Erkenntnisgewinnung entwickelt. Eine zweite Phase beinhaltet die Schwerpunkte Kommunikation und Bewertung. Im Frühjahr 2009 wird eine erste Pilotierung der Aufgaben vorgenommen, welche dann in der ersten Hälfte des Jahres 2010 in einer weiteren Studie normiert werden. Um die Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler im Physikunterricht nachhaltig zu fördern, gilt es, den Kompetenzerwerb während des Physikunterrichts zu planen, zu analysieren und gegebenenfalls rechtzeitig nachzusteuern. Mit diesem Ziel lassen sich Kompetenzerwartungen für die einzelnen Klassenstufen formulieren. Im Fach Physik sind ausformulierte Kompetenzerwartungen für die einzelnen Klassenstufen eng an die zugrunde gelegte Konzeption des Unterrichts gebunden und an die durch die Kontingentstundentafel schulspezifischen Verhältnisse anzupassen. Der Entscheidungsspielraum der Fachkonferenzen Physik soll durch die im Folgenden vorgestellten Aufgabenbeispiele unterstützt und nicht eingeschränkt werden. Zur weiteren Orientierung können bei diesem Vorhaben die ausformulierten Kompetenzerwartungen für die Sekundarstufe I aus anderen Bundesländern dienen, so z. B. [4]. Ausgewählte Themenbereiche aus dem Lehrplan Physik für die Sekundarstufe I (1997) [1] werden in [5] bezüglich der Kompetenzerwartungen und Kompetenzentwicklung dargestellt. 12 Orientierungshilfe G8 Physik 3 Aufgabenbeispiele Mit den Aufgabenbeispielen sollen vor allem die Kompetenz- und Anforderungsbereiche konkretisiert werden. Die dafür gewählten Inhalte beschreiben kein Curriculum. Lernaufgaben wie Testaufgaben sind im Zusammenhang mit dem im Unterricht präsentierten Lernkontext und dem verwendeten Fachwissen hinsichtlich der Kompetenzerwartung zu bewerten und den Teilkompetenzen zuzuordnen. Der Schwerpunkt der Aufgaben in Bezug auf die Leitideen ist jeweils angegeben. Der Erwartungshorizont einer Lösung wird im Anschluss an die Aufgabenstellung beschrieben. Bei offenen Aufgaben ist vielfach nur ein Lösungsweg angegeben. Die vorgeschlagenen Erwartungshorizonte stellen einen Kompromiss zwischen schülernaher Formulierung und fachlicher Exaktheit dar. Zu jedem Aufgabenteil wird die Einordnung in die Kompetenz- und Anforderungsbereiche in der Form Kompetenzbereich/ Anforderungsbereich (K/A) angegeben. 1. Aufgabenbeispiel: Schlafsack Leitidee 3. Systeme: Gestörte Gleichgewichte (hier Temperaturunterschiede) können Ströme … hervorrufen. Ströme benötigen einen Antrieb (Ursache) und können durch Widerstände in ihrer Stärke beeinflusst werden. Klassenstufe 7 Ein Schlafsack soll die Übernachtung im Freien oder in einem Zelt ermöglichen. Für unterschiedliche Außentemperaturen sind Schlafsäcke mit Angaben wie ... bis 5 °C, bis –10 °C und bis –20 °C gekennzeichnet. 40 °C 20 °C 30 °C 20 °C 500 250 (1) 30 °C (2) 10 °C 40°C 500 (3) 20 °C (4) 0 °C 20 °C 250 (5) (6) –10 °C 10 °C (7) 250 (8) 3. Sortiere alle Schlafsäcke nach ihrem Wärmewiderstand. 4. Welche Schlafsäcke sind für die niedrigste Außentemperatur von –20 °C geeignet? –20 °C 250 1. Welche Schlafsäcke haben den gleichen Wärmewiderstand? 2. Suche den Schlafsack mit einem kleineren Wärmewiderstand als Ingas Schlafsack (1) heraus. –10 °C 500 10 °C Inga macht weitere Messungen mit den anderen Schlafsäcken bei unterschiedlichen Temperaturen und notiert die Ergebnisse (2) bis (8). 30 °C 250 Inga hat sich einen Schlafsack geliehen. Sie will dessen Eigenschaften mit denen anderer Schlafsäcke vergleichen. Dazu hat sie den Schlafsack mit einer Wärmflasche innen auf 40 °C aufgeheizt. Die Umgebungstemperatur ist 20 °C. Das Messgerät für den Wärmestrom aus dem Schlafsack in die Umgebung zeigt den Wert 500 an. Sie notiert das Ergebnis wie bei (1): Der Pfeil steht für den Wärmestrom. Die Temperaturwerte sind links und rechts hinzugefügt. 5. Inga will mit dem geliehenen Schlafsack im Sommer zum Zelten. Es wird dort nachts nicht kälter als 5 °C. Welchen Schlafsack würdest du Inga empfehlen? Begründe deine Empfehlung. 13 Orientierungshilfe G8 Physik Erwartungshorizont zum Aufgabenbeispiel Schlafsack Zu 1: Die Wärmewiderstände sind gleich, wenn bei gleicher Temperaturdifferenz der Wärmestrom den gleichen Wert hat. Das trifft zu für die Paare 1 und 5, 3 und 7, 6 und 8. K/A: F I Weiterhin ist der Wärmewiderstand 2 gleich dem von Paar 1und 5. Bei halber Temperaturdifferenz hat der Wärmestrom durch den Widerstand (etwa) den halben Wert. K/A: F II, E II Zu 2: Der Wärmewiderstand (4) ist kleiner, da er den gleichen Wert des Wärmestroms bei der halben Temperaturdifferenz hat. K/A: F II, E II 40 °C 20 °C 40 °C 30 °C (1) Wird zusätzlich die Proportionalität von Temperaturdifferenz und Wärmestrom angenommen, dann lassen sich beide Gruppen vergleichen. So wird unter (1) und (5) der Widerstand (2) eingeordnet. Die untere Gruppe rückt einen Schritt nach links. K/A: E II, F III, K III 500 20 °C kleinerer Wärmewiderstand Zu 3: Bei gleichem Wert des Wärmestroms wird die Temperaturdifferenz verglichen. Damit werden die Widerstände in zwei Gruppen (oben und unten) angeordnet. K/A: E II, K II 500 (4) 0 °C 500 (5) 20 °C –10 °C 30 °C (6) kleinerer Wärmewiderstand 10 °C 250 10 °C –20 °C 20 °C 250 10 °C 250 (2) –10 °C 250 (8) 30 °C (3) 250 (7) Zu 4: Für sehr niedrige Außentemperaturen sind die Schlafsäcke mit dem höchsten Wärmewiderstand geeignet. Es sind die Schlafsäcke (6) und (8). K/A: E II, F II, E II, B I Zu 5: Für den Wärmestrom durch den Schlafsack in die Umgebung wird die Temperaturdifferenz (Mensch mit Bekleidung außen 20 °C, Außentemperatur 5 °C) zu 15 °C abgeschätzt. Demgegenüber ist die Temperaturdifferenz mit 40 °C bei einer Außentemperatur von –20 °C mehr als doppelt so hoch. Der Schlafsack, den Inga benötigt, soll weniger als den halben Wärmewiderstand von (6) oder (8) haben. K/A: 14 Bei einer Temperaturdifferenz von 30 °C fließt durch den Schlafsack (1), den Inga geliehen hat, der Wärmestrom mit dem Wert 750 Einheiten. Der Schlafsack hat also gegenüber (6) ein Drittel des Wärmewiderstands. Dieser Wert reicht nicht ganz aus. Inga sollte sich einen Schlafsack mit einem höheren Wärmewiderstand leihen, z. B. (3) oder (7). Sicher sind auch (6) und (8) geeignet, doch sind die vermutlich schwerer oder haben einen höheren Preis. E II, F II, K II, B II. Orientierungshilfe G8 Physik 2. Aufgabenbeispiel: LED-Beleuchtung Leitidee 4. Energie: Beim Transport und bei der Nutzung der Energie kann eine Änderung der Energieform stattfinden bzw. der Energieträger gewechselt werden. Dabei kann nur ein Teil der eingesetzten Energie für den eigentlichen Zweck genutzt werden. Klassenstufe 9 Hickhack um 59 LED-Strahler (Kieler Nachrichten 25.10.2006) Beleuchtung des Buckingham-Palastes empört Umweltschützer London – Die britische Königin hat mit ihrer Zustimmung zur nächtlichen Anstrahlung des Buckingham-Palastes überraschend starke Kritik ausgelöst. Elizabeth II. leiste „auf enttäuschende Weise“ der Energieverschwendung Vorschub, meinte Greenpeace. … Der Palast blieb gelassen: Der Energieverbrauch der modernen 59 LED-Strahler sei sehr gering, hieß es. dpa 100 % mit der Elektrizität 95 % mit der Wärme 5% mit dem Licht 100 % mit der Elektrizität 75 % mit der Wärme 25 % mit dem Licht 1. Lies den Text. Welche Angaben sind erforderlich, um beurteilen zu können, ob die Energie zur Beleuchtung effizient eingesetzt wird? 2. Leuchtdioden (LED) sollen effizienter arbeiten als Glühlampen. Skizziere eine oder mehrere elektrische Schaltungen mit einer Leuchtdiode und mit einer Glühlampe, mit der sich diese Eigenschaften möglichst unmittelbar zeigen lassen. Erläutere, wie sich damit der Wirkungsgrad von Glühlampe und LED quantitativ vergleichen lässt. 3. Eine sehr effiziente Leuchtdiode für weißes Licht liefert bei 3,7 V und 1,5 A mit dem Licht einen Energiestrom von 0,14 W = 0,14 J/s. Ergänze die nebenstehenden Schemata der Energie umsetzung für eine Glühlampe und eine Leuchtstoffröhre um ein weiteres Schema für die Leuchtdiode und vergleiche. 4. Formuliere die umgangssprachliche Äußerung „Der Energieverbrauch der LED-Strahler ist sehr gering“ in der Fachsprache. 5. Stelle zwei mögliche physikalische Deutungen der Aussage „ (Sie leistet) … der Energieverschwendung Vorschub“ vor und vergleiche sie. 6. Versuche, die Umweltbelastung beim Betrieb der Beleuchtung mit den 59 LED-Strahlern zu bewerten. 15 Orientierungshilfe G8 Physik Erwartungshorizont zum Aufgabenbeispiel LED-Beleuchtung Zu 1: Bei der Beleuchtung wird Energie mit dem Licht transportiert. Dazu sind zwei Angaben erforderlich: Wie groß ist der Energiestrom (Leistung) mit dem Licht? Wie groß ist der elektrische Energiestrom (Leistung) zu den LEDs? K/A: F I, F II, E II, K II Zu 2: Ein besonders einfacher Vergleich der Effizienz von LED und Lampe kann erfolgen, wenn beide gleich hell leuchten. Beide geben dann mit dem (sichtbaren) Licht den gleichen Energiestrom (Leistung) ab. Die Spannung der Spannungsquelle wird erhöht, bis LED und Glühlampe gleich hell leuchten. Dies ist beispielsweise bei 10 V der Fall. Der Strom I ist durch beide Bauteile gleich. Bei einer Spannung von U1 = 8 V an der Glühlampe und U2 = 2 V an der LED ist der Energiestrom zur Glühlampe U1 I = P1, der zur LED U2 I = P2. Die Glühlampe benötigt den vierfachen elektrischen Energiestrom für die gleiche Helligkeit. Die LED hat setzt viermal so viel Energie auf das (sichtbare) Licht um wie die Glühlampe. K/A: 10 V 2V 50 mA 10 V + 0V Hinweis: Ein genauer quantitativer Vergleich von LED und Lampe erfordert den Betrieb der Bauteile mit deren Kenndaten von U und I. Hinweis: Der Wirkungsgrad von einfarbigen LEDs ist zurzeit deutlich besser als der von LEDs, die „weißes Licht“ erzeugen. F I, F II, E II, K II Zu 3: Der Energiestrom zur LED ist P = 3,7 V · 1,5 A = 5,55 W. Der Energiestrom mit dem (sichtbaren) Licht ist P = 0,14 W. Es werden 2,5% der Energie auf das (sichtbare) Licht umgeladen, also ein vergleichsweise geringer Anteil. K/A: FII, E III, K III, BI 100 % mit der Elektrizität 97,5 % LED mit der Wärme 2,5 % Zu 4: Bezogen auf die gleiche Helligkeit, also den gleichen Energiestrom mit dem Licht, ist der zugeführte elektrische Energiestrom gering. K/A: F II, K II mit dem Licht Zu 5: Der Ausdruck „Energieverschwendung“ kann sich (a) auf den Anteil des Energiestroms beziehen, der mit der Wärme abgegeben wird. Dieser Energiestrom trägt nicht zur Beleuchtung bei. Weiterhin kann „Energieverschwendung“ auf den elektrischen Energiestrom zur LED (b) bezogen werden. Verzichtet man auf die Beleuchtung, wird keine Energie umgesetzt. K/A: F II, K III, B II Zu 6: Die Umweltbelastung der Beleuchtung hängt wesentlich davon ab, wie groß der Energiestrom (Leistung) tatsächlich ist, der für die Beleuchtung verwendet wird. Weiterhin ist entscheidend, ob die Energie von regenerativen Energieträgern stammt und welche Umweltbelastungen mit der Umsetzung in elektrische Energie verbunden sind. Mit den gegebenen Daten lässt sich die Umweltbelastung nicht abschätzen. Eine Bewertung der Entscheidung, ob die LED-Beleuchtung sinnvoll ist oder nicht, kann daher nicht erfolgen. K/A: E II, K II. B III 16 Orientierungshilfe G8 Physik 4 Hinweise zum schulinternen Fachcurriculum Die folgenden Hinweise zur Entwicklung eines schulinternen Fachcurriculums sind im Sinne einer Orientierungshilfe zu verstehen, die unterschiedliche Möglichkeiten und Ansätze ausführlich darstellt und begründet. Sie gründen sich auf die KMK-Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss [2] wie auf den Lehrplan Physik [1] und verdeutlichen weiterhin die Entscheidungsfelder der Fachkonferenzen anhand exemplarisch ausgewählter Themenbereiche des Lehrplans. Es werden mehrere Konzeptionen vorgestellt und einander gegenübergestellt. In einer ersten Konzeption K1 werden die im Lehrplan für die G9 Klassenstufen 7 bis 10 genannten Inhalte in die jeweils niedrigere Klassenstufe übernommen. Themenbereiche Konzeption K1 im Überblick Elektrischer Strom Temperatur und Wärme Geradlinige Lichtausbreitung Bewegungen Elektromagnetismus Dichte und Druck Bildentstehung und optische Geräte, Farben Elektrischer Strom und Spannung Kraft und Energie Wärme und Klima Mikroelektronik Elektrische Energieübertragung, Leistung Kernenergie Energieversorgung Klassenstufen G9 Klassenstufen G8 7 7 7 7 8 8 8 9 9 9 9 10 10 10 5/6 5/6 5/6 5/6 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 Die ungeänderte Übernahme der Themenbereiche in die jeweils niedrigere Klassenstufe macht jeweils Anpassungen an das Alter der Schülerinnen und Schüler in Teilen erforderlich. Dieser Anpassungsvorgang kann auch dazu führen, dass Themenbereiche ihren Platz tauschen oder eine geänderte Gewichtung erhalten. Ein solches Vorgehen wird auf einzelne, in Klassenstufen zusammengefasste Themenbereiche, als Nächstes vorgestellt. Damit soll die Möglichkeit eröffnet werden, dass die Fachkonferenz Physik sich für ein Teilkonzept und gegen ein anderes entscheidet. Ein erster Block von Alternativen umfasst die Teilkonzepte K2 bis K4. Themenbereiche Teilkonzeption K3 im Überblick Energie qualitativ Elektrischer Strom I Geradlinige Lichtausbreitung Magnetismus und Elektromagnetismus Teilkonzeption K4 im Überblick Elektrischer Strom II Temperatur und Wärme Linsen und Bildentstehung Bewegungen Elektromagnetismus Dichte und Druck Optische Geräte, Farben Klassenstufen G9 Klassenstufen G8 (Teile aus 10) 7 7 7/8 5/6 5/6 5/6 5/6 7 7 7 7 8 8 8 7 7 7 7 8 8 8 17 Orientierungshilfe G8 Physik Themenbereiche Teilkonzeption K2 im Überblick Klassenstufen G9 Klassenstufen G8 Elektrischer Strom und Spannung Wärme und Klima Kernenergie Energieversorgung 9 9 10 10 9 9 9 9 Klassenstufen G9 Klassenstufen G8 7 7 7 5/6 5/6 5/6 (Teile aus 10) 8 7 7 7 7 Kraft und Energie I Elektrischer Strom und Spannung Kraft und Energie II 9 9 9 8 8 8 Wärme und Klima Energieversorgung Kernenergie 9 10 10 8 9 9 Einen zweiten Block von Alternativen umfasst das Konzept K5. Themenbereiche Konzeption K5 im Überblick Geradlinige Lichtausbreitung Elektrischer Strom Temperatur und Wärme Energie Linsen und Bildentstehung Bewegungen Für die Klassenstufen 5 bis 9 werden also neben der Gesamtkonzeption K1 weitere Vorschläge K2 bis K4 und K5 ausgeführt, die sich jeweils auf die Klassenstufen 5/6, 7/8 und 9 beziehen. Die Bewertung der Argumente und die Entscheidung für oder gegen die eine oder andere Teilkonzeption ist der Fachkonferenz Physik des Gymnasiums überlassen. Davon unabhängig ist die Kompetenzentwicklung der Schülerinnen und Schüler zu evaluieren und als Anlass für eine kontinuierliche Weiterentwicklung des schulinternen Fachcurriculums heranzuziehen. Die Vernetzung der Kompetenzentwicklung, insbesondere mit den anderen naturwissenschaftlichen Fächern und mit dem Fach Mathematik, ist ebenfalls verbindlich in die Ausgestaltung des schulinternen Fachcurriculums einzubeziehen. 18 Orientierungshilfe G8 Physik Konzeption 1 Unveränderte Themenbereiche Die Konzeption K1 zeigt die Verteilung der auf G9 bezogenen Themenbereiche des Lehrplans Physik [1] und die Umstellung auf G8. Die Zahl der Wochenstunden bleibt erhalten, die Themenbereiche werden der jeweils niedrigeren Klassenstufe zugeordnet. Themenbereiche Themen Elektrischer Strom Temperatur und Wärme Geradlinige Lichtausbreitung Bewegungen Elektromagnetismus Elektrische Beleuchtung Hitze, Kälte und Wärmeisolierung Licht und Schatten Bewegungen und Kraft Elektromotoren verändern unser Leben Dichte, Druckdifferenz als Antrieb Bildentstehung und Abbildungen 7 7 7 7 8 6 6 6 6 7 8 7 8 7 Steuerung elektrischer Energietransporte Verkehrssicherheit und Kraft Temperatur, Wärme, Klimaänderung Elektronische Schaltungen, Funktion, Anwendung Versorgung mit elektrischer Energie Kernenergie, Verantwortung, Chancen, Risiken „Energieverbrauch” und Energieerhaltung 9 8 9 9 8 8 9 8 10 9 10 9 10 9 Dichte und Druck Bildentstehung und optische Geräte, Farben Elektrischer Strom und Spannung Kraft und Energie Wärme und Klima Mikroelektronik Elektrische Energieübertragung, Leistung Kernenergie Energieversorgung Klassenstufen Klassenstufen G9 G8 K1.1 „altersgemäß“ Die Umstellung von G9 auf G8 ist bezüglich der Themenbereiche in diesem Modell mit keinem Änderungsbedarf verbunden. Da der Umfang der Wochenstunden unverändert bleibt, besteht die wesentliche Aufgabe darin, die Themenbereiche unter Berücksichtigung des geringeren Alters der Schülerinnen und Schüler altersgemäß aufzubereiten und zu unterrichten. K1.2 „Stundenkontingente Klassenstufen 5 und 6“ Die unveränderte Übernahme der Themenbereiche von G9 nach G8 erfordert in der Klassenstufe 6 zwei Wochenstunden oder, genauer, in den Klassenstufen 5 und 6 zusammen zwei Wochenstunden. Stehen weniger oder mehr als zwei Wochenstunden zur Verfügung, muss über eine Zusammenlegung bzw. zeitliche Kürzung der Themenbereiche nachgedacht werden oder aber über eine Ausweitung und Vertiefung. In jedem Fall ermöglicht der Physikunterricht in Klassenstufe 5/6 im Umfang von zwei Wochenstunden eine weitestgehende Übernahme der Themenbereiche aus dem Lehrplan Physik [1]. 19 Orientierungshilfe G8 Physik Teilkonzeption 2 Abstraktion und Anwendungsbezug in Klassenstufe 9 Die Konzeption K2 zeigt wie K1 die Verteilung der auf G9 bezogenen Themenbereiche des Lehrplans Physik [1] nach der Umstellung auf G8, hier allerdings erst einmal bezogen auf die G9 Klassenstufen 9 und 10 und die G8 Klassenstufe 9. Zur Orientierung sei in der ersten Tabelle von der Verteilung der Themenbereiche in G9 ausgegangen: Themenbereiche Themen 9.1 Elektrischer Strom und Spannung (alt 9.1) 10.1 Kraft und Energie (alt 9.2) Steuerung elektrischer Energietransporte Verkehrssicherheit und Kraft 9 9 9 9.2 Wärme und Klima (alt 9.3) Temperatur, Wärme, Klimaänderung Elektronische Schaltungen, Funktion, Anwendung 9 ausgelagert nach 10 9 9.4a Elektrische Energieübertragung, Leistung (alt 10.1) Versorgung mit elektrischer Energie 10 9.3 Grundlagen der Kernphysik (alt 10.2) Atomkerne und Kernreaktionen 10 9.4b Energieversorgung (alt 10.3) „Energieverbrauch” und Energieerhaltung, Risiken und Perspektiven 10 (z.T. 9.1) Mikroelektronik (alt 9.4) Klassenstufen Klassenstufen G9 G8 9 ausgelagert nach 9.1 und gekürzt In Teilen verschoben und gekürzt In Teilen gekürzt und verlagert 9 Umgesetzt nach G8 ist die Reihenfolge der Themenbereiche die Folgende: Themenbereiche Themen 9.1 Elektrischer Strom und Spannung, Mikroelektronik 9.2 Wärme und Klima Steuerung elektrischer Energietransporte Temperatur, Wärme, Klimaänderung Atomkerne und Kernreaktionen Versorgung mit elektrischer Energie, „Energieverbrauch” und Energieerhaltung, Risiken und Perspektiven 9.3 Grundlagen der Kernphysik 9.4 Elektrische Energieübertragung, Energieversorgung 20 Klassenstufen Klassenstufen G9 G8 9 9 9 9 10 10 9 9 Orientierungshilfe G8 Physik K2.1 „Nachhaltiger Unterricht und anschlussfähige Inhalte“ Die in der Konsequenz mit K2 umgesetzte Konzeption verlagert keine Themenbereiche und die damit verbundenen Inhalte von den G9 Klassenstufen 9 und 10 auf darunterliegende. Damit stellt sich die Aufgabe, die Themenbereiche der G9 Klassenstufen 9 und 10 auf eine Klassenstufe, die G8 Klassenstufe 9 zurechtzuschneiden. Die Möglichkeiten dazu sind vielfältig. Im Folgenden wird das in K2 ausgeführte Beispiel exemplarisch diskutiert. Themenbereiche 9 in der Diskussion G9 9.2 Kraft und Energie Der erste Themenbereich, der in K2 ausgelagert wird, ist „Kraft und Energie“. Dies erscheint aufgrund der Behandlung von Kinematik und Dynamik in der folgenden G8 Jahrgangsstufe 10 insbesondere dann möglich, wenn der Bereich Statik gegenüber der Dynamik deutlich in den Hintergrund gerückt wird. Dabei ist davon auszugehen, dass der Lehrplan Physik für die Sekundarstufe II Gymnasium [9] in der Profiloberstufe, bezogen auf den 2-stündigen Grundkurs, Bestand hat. Wenn Physik in der Oberstufe als Profil gebendes oder Profil ergänzendes Fach angeboten wird, ergeben sich erweiterte Möglichkeiten, die von der Fachkonferenz Physik des jeweiligen Gymnasiums in der gegebenen Situation zu bewerten und zu entschieden sind. Die Inhalte des Themenbereichs Kraft und Energie werden damit aus der Klassenstufe 9 (G8) herausgenommen und in Teilen in der folgenden Klassenstufe behandelt, wie es nach dem Lehrplan Physik für die Sekundarstufe II [9] ohnehin vorgesehen ist. Als Konsequenz folgt für die Betrachtung von Energie und Energietransporten, dass in Klassenstufe 9 (G8) mechanische Energietransporte nur im Ansatz quantitativ betrachtet werden können. Dies wird dann erst in der folgenden Klassenstufe vertieft erfolgen können. Weiterhin folgt dann für die Betrachtung von Energietransporten in Klassenstufe 9 (G8), dass zumindest thermische und elektrische Energietransporte quantitativ zu beschreiben sind. Aktuelle Anwendungsbezüge legen diese Schwerpunktsetzung nahe, ausgearbeitete Lernkontexte unterstützen die Umsetzung im Physikunterricht. Damit sind die Themenbereiche (G9) • • • • 9.1 Elektrischer Strom und Spannung 9.3 Wärme und Klima 10.2 Kernenergie (gekürzt) 10.3 Energieversorgung und elektrische Energieübertragung, Leistung (gekürzt) für die Klassenstufe 9 (G8) gesetzt. Bei dem für G9 vorliegenden zeitlichen Umfang wäre damit der Physikunterricht in Klassenstufe 9 (G8) bei zwei Wochenstunden inhaltlich ausgefüllt. Verfügbare Unterrichtszeit für weitere Themenbereiche erfordert eine inhaltliche Kürzung der bereits vorgesehenen. Themenbereiche 9 in der Diskussion G9 9.4 Mikroelektronik Der mit dem Themenbereich Mikroelektronik verbundene Bereich von Anwendungen ermöglicht bei geeigneter Ausstattung der Schule einen aktuellen, schüleraktivierenden Unterricht, der jedoch nur in Ansätzen das für die nachfolgenden Inhalte anschlussfähige Fachwissen fortentwickelt. Daher ist es vertretbar, die Anwendungsorientierung mit in den Themenbereich G9 9.1 Elektrischer Strom und Spannung einzubeziehen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, in einem Wahlfach „Angewandte Informatik“ in Form von „MINT“ (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft, Technik) den Anwendungsbezug der Mikroelektronik für einen Teil der Schülerinnen und Schüler zu verdeutlichen. Themenbereiche 9 in der Diskussion G9 10.1 Elektrische Energieübertragung, Leistung Der Gedanke, Inhalte knapper zu fassen und zu kürzen, soll sich auch an der Interessenlage der Schülerinnen und Schüler orientieren. Im Vergleich der Themen Induktion und Kernenergie zeigen empirische Studien, dass der Bereich Kernenergie eine weitaus größere Bedeutung aus Sicht der Schülerinteressen aufweist. Auch andere Themen könnten herangezogen werden, um den Zeitbedarf für die angemessene Behandlung der Kernenergie sicherzustellen. In K2 wird entschieden, die Behandlung der Induktion weitgehend zurückzustellen. Die Betrachtung von Induktionsvorgängen als Grundlage für den Transformator und deren Nutzung bei der elektrischen Energieversorgung sollen hier knapp und weitgehend am Phänomen orientiert behandelt werden. 21 Orientierungshilfe G8 Physik Die Gewichtung bezieht sich nicht auf die elektrische Energieübertragung, die notwendig quantitativ behandelt wird. Dann lassen sich in den Themenbereichen (G9) • • 10.2 Kernenergie 10.3 Energieversorgung quantitative Aussagen zu elektrischen und thermischen Energietransporten treffen. Das Thema Transformator tritt wegen der erst nachfolgenden Betrachtung der Induktion in den Hintergrund. Themenbereiche 9 in der Diskussion G9 10.2 Kernenergie Bereits im G9 Unterricht der Klassenstufe 10 griffen die Inhalte zum Atommodell in den Fächern Physik und Chemie eng ineinander. Dieselben Inhalte finden sich in G8 Klassenstufe 9 wieder. Während im Chemieunterricht Reaktionen der Atomhülle betrachtet werden, wobei der Atomkern ungeändert bleibt, werden Reaktionen der Atomkerne im Physikunterricht behandelt. Die Atomhülle wird an dieser Stelle nur am Rande betrachtet. Eine Aufgabenteilung ist also üblich, den Schülerinnen und Schülern werden die unterschiedlichen Schwerpunkte und Zielvorstellungen des Unterrichts der Fächer deutlich gemacht. Für Schülerinnen und Schüler wesentlich ist eine konsistente Beschreibung des Atoms durch ein Atommodell. Um eine anschlussfähige Beschreibung an die Atommodelle der gymnasialen Oberstufe sicherzustellen, sollte deutlich werden, dass sich in einem Atom wie dem Wasserstoffatom im Grundzustand „nichts bewegt“. Diese Beschreibung lässt sich dann ungeändert in der Oberstufe ausbauen und verfeinern. Weiterhin sollte sich die Beschreibung der Kernreaktionen an die im Chemieunterricht entwickelte Terminologie (Produkt, Edukt) anpassen, beispielsweise um die Teilchenerzeugung bei der Betastrahlung zu beschreiben. Dies setzt Absprachen über die Reihenfolge bei der Behandlung der Inhalte voraus. Die vielfach vorgenommene Betrachtung von Kraftwerken und insbesondere der Vergleich von Kohleund Kernkraftwerken mit regenerativen Energieversorgern kann in die folgende Unterrichtseinheit Energieversorgung integriert werden. K2.3 „kompatible Inhalte und Standards“ Im Vergleich zur Konzeption K1 beruht K2 nicht auf einem Physikunterricht, der für die Mittelstufe genau acht Wochenstunden erfordert. Der Physikunterricht in der Klassenstufe 9 (G8) kann aus diesem Grund wie mit K2 vorgeschlagen erfolgen, weitgehend unabhängig von der Wochenstundenzahl im Vorunterricht. Ferner kann nach einer Konzeption wie K2 auch der sich anschließende Physikunterricht in der Oberstufe des Gymnasiums G8 auf relativ gleichartige Voraussetzungen und Kenntnisse zurückgreifen, wieder weitgehend unabhängig von der Wochenstundenzahl im Vorunterricht der Klassenstufen 5 bis 8. Eine konsequente Orientierung des Unterrichts an den Bildungsstandards [2] soll die Gleichwertigkeit der unterschiedlichen Konzeptionen gemäß der schulinternen Fachcurricula befördern und damit Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler weiterentwickeln und testen. Da zurzeit noch keine Testaufgaben für die Standards Physik vorliegen, kann die Qualität der durch K2 vorgestellten Konzeption nur vorläufig und noch nicht endgültig beurteilt werden. Auch andere Entscheidungen und Schwerpunktsetzungen für die Klassenstufe 9 (G8) sollten entwickelt, erprobt und miteinander verglichen werden. Notwendig und wünschenswert erscheint dennoch eine inhaltliche Nähe der verfolgten Konzeptionen, um den Übergang der Schülerinnen und Schüler von unterschiedlichen Schulen in die gymnasiale Oberstufe eines Gymnasiums nicht unnötig zu erschweren. 22 Orientierungshilfe G8 Physik Teilkonzeption 3 Vorerfahrungen und Fehlvorstellungen im Physikanfangsunterricht in Klassenstufe 5/6 Die Kontingentstundentafel ermöglicht den Physikunterricht in den Klassen 5 und 6 am Gymnasium und erfüllt die vielfach geäußerte Forderung, frühzeitiger als in Klassenstufe 7 mit dem Physikunterricht zu beginnen und damit der Interessenlage der Schülerinnen und Schüler zu entsprechen. Für die Physiklehrerinnen und Physiklehrer bedeutet das vielfach, sich an den Erfahrungen mit dem Physikunterricht in 5 und 6 in anderen Bundesländern zu orientieren und diese als Grundlage für die Planung eines schulinternen Curriculums heranzuziehen. Zusammenfassend führt diese Sichtung der Vorgehensweisen für die Konzeption K3 zu einem Themenbereich Energie im Anfangsunterricht. Weiterhin sind die Themen Optik – Licht und Schatten – und Elektrischer Strom eingeplant. Ferner sprechen pragmatische Gründe dafür, Unterrichtserfahrungen in der Klassenstufe 7 auszuwerten, in wieweit sich Themenbereiche aus Klassenstufe 7 für den Physikunterricht in Klassenstufe 5 und 6 anbieten. Themenbereiche Themen Klassenstufen Klassenstufen G9 G8 5.1 Energie und Energietransporte qualitativ 5.2 Elektrischer Strom (Anschlussbedingungen) 5.3 Geradlinige Lichtausbreitung 5.4 Magnetismus und Elektromagnetismus Energie treibt an 5/6 Elektrische Beleuchtung 5/6 Licht und Schatten Elektromotoren verändern unser Leben 5/6 5/6 Wenn in den Klassenstufen 5/6 nur insgesamt eine Wochenstunde Physik erteilt wird, ist eine Auswahl zu treffen. Die in den Klassenstufen 5/6 nicht behandelten Themenbereiche werden dann an die entsprechenden Themenbereiche der Klassenstufe 7 angebunden. K3.1 „Experimentieren und Strukturieren“ Der Physikunterricht in den Klassenstufen 5 und 6 wird versuchen, das Interesse der Schülerinnen am Fach Physik zu wecken und zu festigen. Ein wesentliches methodisches Element dabei soll das eigenständige Experimentieren der Schülerinnen und Schüler sein. Dabei ist nicht so sehr das Schülerexperiment in Partnerarbeit gemeint, sondern im Wesentlichen offenere Experimentierformen wie Lernstraßen oder Lernzirkel. Auch der Einsatz von Medien, um die Vorerfahrungen der Schülerinnen und Schüler zu sammeln und zu strukturieren, erscheint sehr geeignet. Themenbereiche 5/6 in der Diskussion G8 5.1 Energie und Energietransporte Im Anfangsunterricht der Klassenstufe 5 oder 6 wird das Thema Energie und Energietransporte qualitativ behandelt. Die am Energietransport beteiligten Energieträger werden vorerst umgangssprachlich benannt (Nahrungsmittel, Luft, Heizöl, Benzin, Kohle usw.). Aus einer Vielzahl von Experimenten, die von den Schülerinnen und Schülern möglichst eigenständig durchgeführt werden, werden Gemeinsamkeiten in den Eigenschaften der betrachteten Phänomene gefunden und benannt. Die Energie wird charakterisiert durch ihre Wirkung bzw. durch den Weg, den sie nimmt. Sowohl die fachdidaktische Literatur wie auch Lehrwerke für den Anfangsunterricht Physik führen diese Gedanken weiter aus (siehe [11]). Wesentlich für das Vorgehen im Anfangsunterricht ist die Auswahl der den Schülerinnen und Schülern präsentierten Phänomene. Vielfach sind deshalb geeignete Experimentiergeräte (z. B. „Energiewerke“, siehe [12]) erforderlich, mit denen die Schülerinnen und Schüler arbeiten und die geeignet sind, eine altersgemäße Strukturierung zu entwickeln. 23 Orientierungshilfe G8 Physik Durch die Standards [2] vorgegeben ist weiterhin, die Kompetenz der fachlichen Kommunikation der Schülerinnen und Schüler zu entwickeln. Empirische Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Verwendung des Fachbegriffs Energie ausreicht. Die Verwendung weiterer Begriffe wie Energieformen, Erscheinungsformen der Energie, Zustandsformen und Transportformen sowie Energieumwandlungen und Energieentwertung erscheint hier wie im nachfolgenden Unterricht eher hinderlich für das Verständnis der Eigenschaften der Energie. Durch diesen Verzicht auf Vielfältigkeit gelingt es, bei den Schülerinnen und Schülern ohne Einbußen an Klarheit die Kompetenz der fachlichen Kommunikation weiterzuentwickeln. Der so präzisierte Energiebegriff kann damit qualitativ verankert und zur Erhaltung der Energie weiterentwickelt werden. Durch die Standards Physik [2] wird dieses Vorgehen unterstützt. Die Ausführungen zur Energie im Anfangsunterricht sind unter anderem auch deshalb vergleichsweise ausführlich formuliert, da eine Übertragung der Unterrichtszeit entsprechend der Kontingentstundentafel vom Fach Physik zu Chemie oder Biologie sicherstellen sollte, dass in diesen Fächern die Energie für die Schülerinnen und Schüler in vergleichbaren Zusammenhängen eingeführt und verbalisiert wird. Nur so ist die Anschlussfähigkeit an den nachfolgenden Fachunterricht gewährleistet. Themenbereiche 5/6 in der Diskussion G8 5.2 Elektrischer Strom (Anschlussbedingungen) Ein weiterer, für den Unterricht in den Klassenstufen 5 und 6 geeigneter Themenbereich sind elektrische Schaltungen, beispielsweise durch einen Lernkontext wie Beleuchtung oder Spiele mit Elektrizität. Es ist nicht daran gedacht, im Anfangsunterricht Fachbegriffe wie elektrischer Strom und Spannung einzuführen und zu präzisieren. Im Wesentlichen geht es bei den vergleichsweise vielfältigen Experimenten (siehe [13], [14]), die an Vorkenntnisse aus der Grundschule anbinden können (siehe [15]), um das Kennenlernen der Anschlussbedingungen. „Wie schließe ich die elektrischen Bauteile an, um eine funktionsfähige Schaltung herzustellen?“ Wichtig ist weiterhin, dass die Schüler und Schülerinnen den Stromkreis von Anfang an als System begreifen, in dem die Änderung einer einzigen Größe oder die eines einzigen Bauteils, gleichgültig wo es sich im Schaltkreis befindet, Rückwirkungen auf die Werte der übrigen Größen hat. Viele Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Vorstellungen durch den Unterricht nur mit großem Aufwand über längere Zeit hinweg merklich zu verändern sind. Schnelle Ergebnisse und einfache Lösungen sind also nicht zu erwarten. Langfristig tragende Lösungen erfordern ein konsequentes Einüben über längere Zeiträume. Mit diesem Ziel ist es naheliegend, den Unterricht in der Klassenstufe 7 weiterzuführen (siehe Konzeption 4). Themenbereiche 5/6 in der Diskussion G8 5.4 Magnetismus und Elektromagnetismus Als mögliche Weiterführung der Experimente mit Elektrizität eignen sich die Themenbereiche Magnetismus und Elektromagnete besonders deshalb, da bereits ausgearbeitete methodische Umsetzungen des Themas vorliegen und die benötigten Schülerexperimente an den Schulen vielfach vorhanden sind. Bereits im Anfangsunterricht erscheint es möglich und sinnvoll, mit den Schülerinnen und Schülern einen oder auch verschiedene Elektromotoren auf der Basis eines Bausatzes zu bauen. Auch hier sollen die Anschlussbedingungen im Vordergrund stehen und das funktionsfähige Modell das Ziel des Unterrichts sein. Vertiefte fachliche Betrachtungen, die nicht von den Schülerinnen und Schülern nachgefragt oder eingefordert werden, können unterbleiben. Die Fachkommunikation über Anziehung und Abstoßung von Magnetpolen erscheint ausreichend. Die Benennung des Magnetfelds könnte sich im Folgenden als hilfreich erweisen. 24 Orientierungshilfe G8 Physik Teilkonzeption 4 Erste physikalische Begriffe werden gegeneinander abgegrenzt in Klassenstufe 7 Der Blick auf die folgende Zuordnung der Themenbereiche aus den Klassenstufen 7 und 8 für G8 und G9 zeigt kaum Veränderungen. Die Themenbereiche für die beiden Klassenstufen, so wird in der Konzeption K4 vorgeschlagen, lassen sich damit in weiten Teilen beibehalten und unterstützen ein pragmatisches Vorgehen. Inhaltlich sind, je nach Vorunterricht, die in der Klassenstufen 5 und 6 erfolgten Kompetenzen zu berücksichtigen und weiterzuentwickeln. Weiterhin sollte mit Blick auf die kompakten Themenbereiche in Klassenstufe 9 (siehe K2) eine zielgerichtete Vorbereitung in Anlehnung an die Standards Physik erfolgen. Themenbereiche Themen Klassenstufen Klassenstufen G9 G8 7.1 Elektrischer Strom (abhängig von 5.1 u. 5.4) 7.2 Temperatur und Wärme 7.3 geradlinige Lichtausbreitung, Linsen (abhängig von 5.3) 7.4 Bewegungen 8.1 Elektromagnetismus (abhängig von 5.4 u. 7.1) 8.2 Dichte und Druck 8.3 Bildentstehung und optische Geräte, Farben (abhängig von 7.3) Elektrische Schaltungen und Schalter Hitze, Kälte und Wärmeisolierung Licht und Schatten im Raum 7 7 7 7 7 7 Bewegungen und Kraft Elektromotoren verändern unser Leben Dichte, Druckdifferenz als Antrieb Bildentstehung und Abbildungen 7 8 7 8 8 8 8 8 K4.1 „Differenzierung von Begriffspaaren“ Die Inhalte in der Klassenstufe 7 erscheinen für die Schülerinnen und Schüler erreichbar, zumal im Vorunterricht bereits Teile der Themen bearbeitet wurden. Es bleibt damit Zeit für Vertiefungen, deren Schwerpunkte mit Blick auf die Standards Physik [2] bestimmt werden sollen. Die Konzeption K3 präsentiert damit einen Vorschlag, der bei der hier vorgenommenen Bewertung und Gewichtung der in den Standards genannten Basiskonzepte exemplarisch ausgeführt und kommentiert wird. Themenbereiche 7 in der Diskussion G8/9 7.1 Elektrische Schaltungen und Schalter Bei entsprechendem Vorunterricht ergibt sich vonseiten der Schülerinnen und Schüler mitunter die Frage, warum der elektrische Stromkreis die als Phänomen beobachteten Eigenschaften hat. Die Auseinandersetzung mit den vielfältigen, bekannten Fehlvorstellungen zum elektrischen Stromkreis führt wiederholt zu Vorhersagen, die dann im Experiment geprüft und als unzutreffend bewertet werden. Offensichtlich beschreiben die „inneren Bilder“, die sich Schülerinnen und Schüler von der Elektrizität und ihrem Strom machen, nicht immer das betrachtete Phänomen. Es gilt, eine zutreffende Modellvorstellung zu verankern (M. Euler spricht sehr zutreffend von den Metamorphosen innerer Bilder). Mit diesem Ziel gilt es, den Energiestrom vom Elektrizitätsstrom abzugrenzen, indem der Kreisstrom der Elektrizität dem gerichteten Strom der Energie gegenübergestellt wird. Dies gelingt besonders dann gut, wenn aus dem Vorunterricht Energie und elektrische Energietransporte bekannt sind. Dieses Beispiel soll für die Klassenstufe exemplarisch zeigen, wie sich zwei physikalische Größen durch ihre Eigenschaften gegeneinander abgrenzen lassen. Da in der Klassenstufe 7 keine quantitativen Zusammenhänge in den Blick genommen werden müssen, erscheint dieses Vorgehen geeignet, Elektrizität und Energie auch in der Kommunikation der Schülerinnen und Schüler fachgerecht einzuüben. Die Fragestellung oder die Beschreibung eines Experiments, die eine Entscheidung zwischen dem einen oder dem anderen Begriff erfordert, sind deshalb besonders geeignet, den Kompetenzfortschritt der Schülerinnen und Schüler anzuregen und zu testen. 25 Orientierungshilfe G8 Physik Eine Deutung des Elektrizitätsstroms als Strom von Elektronen und die Diskussion der „richtigen“ Stromrichtung sind in diesem Rahmen wenig hilfreich. Für die Pole einer Batterie als Quelle und Senke von Elektrizität ist die Einschätzung ähnlich, zumal der Kreisstrom der Elektrizität durch die Batterie in Frage gestellt wird. Themenbereiche 7 in der Diskussion G8/9 7.2 Temperatur und Wärme Ein weiteres Beispiel für die Einführung zweier physikalischer Größen zeigt der ungeänderte Themenbereich Temperatur und Wärme. Wieder geben geeignete experimentelle Fragestellungen Anlass, Temperatur und Wärme (als Fachausdruck: Entropie, siehe Standards [2]) anhand ihrer Eigenschaften gegeneinander abzugrenzen. Auf diesem Weg lassen sich die Kompetenzen Kommunikation und Bewertung entwickeln. Die Temperaturdifferenz liefert den Antrieb für den Wärmestrom, der von der Temperaturdifferenz und dem Material, durch das er fließt, abhängt. Die Einbettung derartiger Fragestellungen in altersangemessene Lernkontexte findet sich in der fachdidaktischen Literatur (siehe [16]). Themenbereiche 7 in der Diskussion G8/9 7.3 Licht und Schatten im Raum, Linsen Abhängig vom Vorunterricht sind die Betrachtungen von Licht und Schatten auf räumliche Probleme (Mondphasen, Finsternisse) nachzuarbeiten. Es gilt zu erproben, inwieweit Fragestellungen von Licht und Schatten im Raum in den Unterricht der Klassenstufen 5 und 6 ausgelagert werden können. Wenn dieses gelänge, wäre in der Klassenstufe 7 bereits Unterrichtszeit für die Betrachtung von Linsen in den entsprechenden Lernkontexten (z. B. Sehen, Sehfehler, Sehwinkel) verfügbar. Themenbereiche 7 in der Diskussion G8/9 7.4 Bewegungen und Kraft Der Themenbereich Bewegungen und Kraft wird erst einmal dazu verwendet, die Begriffe Weg, Zeit und Geschwindigkeit in einen Zusammenhang bringen und diesen einzuüben. Vielfach erfolgt dann eine quantitative Betrachtung der Geschwindigkeit, beispielsweise im Kontext Straßenverkehr und „Grüne Welle“. Eine veränderte Schwerpunktsetzung gelingt durch die Betrachtung von Änderungen des Bewegungszustandes (des Impulses, siehe Standards [2]), beispielsweise beim Radfahren (und anderen Bewegungen unter Einbezug von Reibung). Die qualitativ gefassten Beschreibungen führen das Konzept des Antriebs von Strömen, hier des Impulsstroms, wie in den Standards vorgeschlagen, weiter. Zu einem solchen Unterrichtsgang sind Materialien verfügbar, die in der Fortbildung zur Diskussion gestellt werden. Bei der Konzeption des Unterrichts ist die Frage, ob und wie Bewegungen mit Reibung in Klassenstufe 10 (G8) wieder aufgenommen werden, angemessen zu berücksichtigen. 26 Orientierungshilfe G8 Physik Konzeption 5 Die Konzeption 5 zeichnet sich dadurch aus, dass die Energie in Klasse 7 als Grundgröße eingeführt wird (Energieumwandlung, -transport, -speicherung, ...). Wärme wird als thermische Energie verstanden und im Teilchenmodell (z. B. Diffusion, brownsche Bewegung) als Bewegungsenergie von Teilchen gedeutet. Damit wird in besonderer Weise auf die Basiskonzepte Energie und Materie der Bildungsstandards [2] Bezug genommen. Die Zahl der Wochenstunden bei G8 bleibt gegenüber G9 erhalten. Themenbereiche Konzeption K5 im Überblick Mögliche Kontexte Geradlinige Lichtausbreitung Lichtausbreitung, SenderEmpfänger-Modell des Sehens Elektrischer Strom, Stromkreis, Schalter ... Licht und Schatten 7 5/6 Elektrische Schaltungen und (elektro-) magnetische Geräte selbst bauen Sonne, Wärme, Jahreszeiten 7 5/6 7 5/6 Temperatur und Wärme Klassenstufen Klassenstufen G9 G8 Energie (Umwandlung, Transport, Speicherung, Erhaltung, Entwertung, thermische Energie als Teilchenbewegung) Linsen und Bildentstehung Linsenabbildung, Reflexion und Brechung, Farben Bewegungen, v = s/t, Trägheit, Reibung, Bewegungsenergie qualitativ Ohne Energie geht nichts (Teile aus 10) 7 Sehen und wahrnehmen, Farben 8 7 Mobilität 1 7 7 Kraft und Energie I Energiestrom (Leistung) und Kraft Rampe, Flaschenzug Elektrischer Strom und Spannung Elektrizität (Strom, Spannung, Leistung, Widerstand) Kraft und Energie II Bewegungsenergie, Kräfte beim Beschleunigen und Bremsen Mensch und Maschine als Energiewandler (Teile aus 10) 8 Elektrische Energieübertragung 8 8 Mobilität 2 (Verkehrssicherheit) 7 8 Wärme und Klima Berechnung der thermischen Energie, Sonnenenergie, Fließgleichgewicht Treibhauseffekt, Luftdruck, Druckunterschied als Antrieb für Luftbewegung, Phasenübergänge, Kühlschrank Energieversorgung Energieversorgung (Generator, Transformator, Wind, Wasser, Solarenergie, Kohlekraftwerke, ...) Kernenergie Radioaktivität und Aufbau des Atoms Klima und Wetter 1.Die Erde im Licht der Sonne (mit Treibhauseffekt) 9 9 10 9 10 9 2. Wind und Wolken Umweltschonende Energieversorgung Kernkraftwerke 27 Orientierungshilfe G8 Physik K5.1 Mechanik In Klasse 8 wird die Berechnung der Lageenergie möglich. Damit erschließt sich ein Weg zur Ermittlung der eigenen körperlichen Leistung (Energiestrom) beim Treppenlaufen, bei Klimmzügen usw. Die Leistung stellt ein Maß für die pro Sekunde übertragene Energie dar (P = E/t), die Kraft ein Maß für die pro Meter übertragene Energie (F = E/s). Je steiler ein Berg ist, um so mehr Energie muss pro Meter umgewandelt werden, um so größer ist auch die aufzuwendende Kraft. Diese Sichtweise erschließt Flaschenzug, Rampe und Hebel: Je länger der Weg der Energieübertragung, um so kleiner die aufzuwendende Kraft. Beim Bremsen wird die Bewegungsenergie auf dem Bremsweg an die Umgebung übertragen. Je kürzer der Bremsweg, um so größer die Kraft (F = E/s). Der Sicherheitsgurt verlängert den Bremsweg und reduziert die auf den Körper wirkende Kraft. Probleme aus dem Kontext Mobilität und Verkehrssicherheit können so ohne Rückgriff auf die newtonsche Grundgleichung gelöst werden. K5.2 Elektrizitätslehre Die Elektrizitätslehre wird im Kontext der elektrischen Energieübertragung entwickelt. Dabei wird unterschieden zwischen dem elektrischen Strom I, der im Kreis fließt, und dem Energiestrom P, der von der Energiequelle zum „Verbraucher“ fließt. In einer qualitativen, anschaulichen Deutung gibt die Spannung an, wie stark die Elektrizität angetrieben wird. Experimente zeigen, dass Energiestrom und Ladungsstrom proportional sind. Es gilt U = P/I. Die Spannung U gibt an, wie groß der Energiestrom P von der Energiequelle zum „Verbraucher“ ist, wenn die elektrische Stromstärke I = 1 A beträgt. Das Teilchenmodell liefert anschauliche Bilder z. B. für die Frage, warum ein Stromkreis an der dünnsten Stelle heiß wird. Alternativ kann man statt von der Spannung auch in diesem Konzept vom Potenzialunterschied reden, der zunächst als Antrieb für den elektrischen Strom verstanden wird. K5.3 Wärmelehre In Klasse 9 werden weite Teile der traditionellen Wärmelehre im Kontext Klima und Wetter behandelt. Die Berechnung der thermischen Energie (E = c m ∆T ) ermöglicht die Ermittlung der vom Sonnenlicht übertragenen Energie (Solarkonstante), das thermische Gleichgewicht (Fließgleichgewicht) wird am Beispiel der Erwärmung der Erde im Sonnenlicht behandelt. Damit werden die Grundlagen für das Verständnis des Treibhauseffekts gelegt. Der Druckbegriff wird im Kontext des atmosphärischen Luftdrucks eingeführt. Winde entstehen durch die unterschiedliche Erwärmung von Land und See und die dadurch verursachten Luftdruckunterschiede. Das Teilchenmodell gestattet ein anschauliches Verständnis von Verdunstung und Kondensation und der Wolkenbildung. Energieübertragung durch Verdunstung und Kondensation findet bei der Wolkenbildung wie im Kühlschrank statt. K5.4 Weitere Themenbereiche Die Diskussion über umweltschonende Energieversorgung kann nun auf anspruchsvoller, auch quantitativer Ebene geführt werden (Energie, Leistung, Wirkungsgrad, CO 2 –Belastung). Der Themenkreis Kernenergie schließt den energetischen Gang durch die Physik in der Sekundarstufe I ab. In diesem Kontext wird das Teilchenmodell der Materie weiter ausgearbeitet und für das Verständnis der Radioaktivität fruchtbar gemacht. In der Klassenstufe 5/6 gewinnen die Kinder eigene Erfahrungen in den Gebieten Licht und Schatten, elektrische Schaltungen und (elektro-)magnetische Geräte, Wärme und Temperatur. Überwiegend experimentieren die Kinder selbst (Lernstationen, Schülerübungen ...). Hier sind auch weitere Ausflüge in die Physik wie z. B. propädeutische Versuche zum Umgang mit den eigenen Sinnen, Auftrieb über die mittlere Dichte oder Aspekte der Astronomie möglich. Methodisch werden Kompetenzen wie Experimentieren, Protokollieren, Formulieren und Testen von Hypothesen usw. entwickelt. Die Optik wird in Klasse 7 fortgeführt mit den Kontexten Bildentstehung (Lochkamera, Linsenabbildung, Auge), Wahrnehmung (optische Täuschungen, Spiegelbilder, Trugbilder durch Brechung und Totalreflexion) und Farben. 28 Orientierungshilfe G8 Physik Ausgestaltung des schulinternen Fachcurriculums Physik Die konzeptionellen Bemerkungen sollen der Fachkonferenz Physik eine Hilfe sein, innerhalb der Rahmenbedingungen des jeweiligen Gymnasiums die Themenbereiche den G8 Klassenstufen zuzuordnen und inhaltlich auszugestalten. Die genannten Konzeptionen K1 bis K5 sollen zeigen, in welcher Weise der Lehrplan Physik an den G8 Physikunterricht und an die Standards Physik angepasst werden kann. Einige Gymnasien haben bereits für bestimmte Jahrgangsstufen ein schulinternes Fachcurriculum oder auch Teile davon zusammengestellt. Die Auflistung der Kompetenzen und der mit dem Unterricht verbundenen Kompetenzfortschritte soll einerseits zu verbindlichen Absprachen innerhalb des Fachkollegiums genutzt werden, andererseits dient das Fachcurriculum auch zur Information der Schülerinnen und Schüler wie auch der Eltern. Die geeignete Gestaltung des Fachcurriculums soll einen Eindruck vom Lernen und Handeln der Schülerinnen und Schüler vermitteln. 29 Orientierungshilfe G8 Physik 5 Anhang Literatur und Internetadressen [1] Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Schleswig-Holstein, Lehrplan für die Sekundarstufe I der weiterführenden allgemeinbildenden Schulen Hauptschule, Realschule, Gymnasium, Physik 1997 http://lehrplan.lernnetz.de/intranet1/index.php?hv=5&link=5&action=baum [2] http://www.kmk.org/schul/Bildungsstandards/Physik_MSA16-12-04.pdf [3] http://www.iqb.hu-berlin.de/arbbereiche/projekte/?pg=p_34 [4] http://www.bildung-staerkt-menschen.de/service/downloads/ Bildungsstandards/Gym/Gym_Ph_bs.pdf [5] Klaus Niemann: Physikstandards im Kontext Physik und Verkehr, PdN-PhiS 6/56 (2007) [6] H. Wiesner u. H. Schwarze (Hrsg.): Standards, PdN-PhiS 6/56 (2007) [7] http://www.bildung-staerkt-menschen.de/service/downloads/Niveaukonkretisierung/Gym/Ph [8] http://bildungsstandards.bildung-rp.de/faecher/naturwissenschaften/beispielaufgaben.html [9] Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Schleswig-Holstein: Lehrplan für die Sekundarstufe II Gymnasien, Gesamtschule Physik 2002 http://lehrplan.lernnetz.de/intranet1/index.php?hv=6&link=6&action=baum [10] H. Wiesner u. H. Schwarze (Hrsg.): Standards, PdN-PhiS 6/56 (2007) [11] H. Schwarze (Hrsg.): Einführung von Kraft und Energie, PdN-PhiS 2/57 (2008) [12] D. Plappert: Der Energiebegriff, PdN-PhiS 6/55 (2006) [13] H. Schwarze (Hrsg.): Unterricht Physik Bd. 15: Elektrizitätslehre I, Aulis 2007 [14] M. Laukenmann: Unterrichtsmaterialien, http://www.ph-heidelberg.de/org/physik/mitarbeiter/ laukenmann/unterrichtsmaterialien_l.html [15] H. Wiesner: Innovativer Sachunterricht, http://www.edu.uni-muenchen.de/supra/ [16] H. Schwarze (Hrsg.): Unterricht Physik Bd. 23: Entropielehre I, Aulis 2004 30 Orientierungshilfe G8 Physik Erlass (August 2008) Anzahl und Art der Leistungsnachweise in der Primar- und Sekundarstufe I Erlass des Ministeriums für Bildung und Frauen des Landes Schleswig-Holstein vom 6. August 2008 - III 3 - 1. Dieser Erlass findet Anwendung in allen Jahrgangsstufen der allgemeinbildenden Schulen, in denen gemäß Runderlass vom 10. Oktober 2007 (NBl. MBF. Schl.-H. S. 381) die Kontingentstundentafel zur Grundlage der Unterrichtsgestaltung gemacht worden ist. Die Schulkonferenz kann beschließen, dass der Erlass auch in den Jahrgangsstufen anzuwenden ist, in denen die Kontingentstundentafel nicht zur Anwendung gelangt. 2. Gemäß § 2 Abs. 2 der Zeugnisverordnung vom 29. April 2008 (NBl. MBF. Schl.-H. S. 146) werden durch die Lehrkräfte fachliche Leistungen und Leistungen im fachübergreifenden Unterricht beurteilt. Bei der Bewertung der Leistungen der Schülerinnen und Schüler unterscheiden die Lehrpläne zwei maßgebliche Beurteilungsbereiche (Klassenarbeiten, Unterrichtsbeiträge) und legen die Anzahl der Klassenarbeiten pro Fach und Schuljahr fest. Abweichend hiervon ist im Anwendungsbereich dieses Erlasses der Beurteilungsbereich „Klassenarbeiten“ durch den Beurteilungsbereich „Leistungsnachweise“ zu ersetzen. Damit ist auch die in den Lehrplänen vorgesehene Anzahl von Klassenarbeiten maßgebend für die Anzahl der pro Schuljahr und Fach erforderlichen Leistungsnachweise. Der Beurteilungsbereich „Unterrichtsbeiträge“ bleibt hiervon unberührt. 3. Die Fachkonferenz berät und beschließt, welche nach den jeweiligen Lehrplänen möglichen Unterrichtsbeiträge neben Klassenarbeiten als Leistungsnachweise herangezogen werden können und welche Kriterien der Lehrpläne und Bildungsstandards zur Beurteilung dieser Leistungsnachweise maßgebend sind. 4. Die Lehrkraft entscheidet über die Anzahl der Klassenarbeiten unter den nach Nr. 2 insgesamt erforderlichen Leistungsnachweisen. Sie hat dabei die für die jeweilige Schulart und Jahrgangsstufe aus der Anlage ersichtliche Mindestzahl zu beachten. Nach Maßgabe der Fachkonferenzbeschlüsse gemäß Nr. 3 legt sie außerdem fest, welche Unterrichtsbeiträge als Leistungsnachweise neben den Klassenarbeiten von den Schülerinnen und Schülern erbracht werden müssen. 5. Dieser Erlass tritt am 1.September 2008 in Kraft. Gleichzeitig tritt der Erlass „Durchführung von Parallelarbeiten“ vom 1. April 2006 (NBl. MBF. Schl.-H. S. 83) außer Kraft. Dieser Erlass tritt mit Ablauf des 31. August 2013 außer Kraft. Kiel, 6. August 2008 Ute Erdsiek-Rave Ministerin für Bildung und Frauen 31 Orientierungshilfe G8 Physik Zahl der Leistungsnachweise/Mindestzahl der Klassenarbeiten in der Primar- und Sekundarstufe I Klassenstufen Grundschule Deutsch Mathematik 1 2 3 4 - 8/6 12/8 8/6 12/8 8/6 Klassenstufen Hauptschule Realschule Gymnasium achtjähriger Bildungsgang Gymnasium neunjähriger Bildungsgang Gesamt-/ Gemeinschaftsschule 32 5 6 7 8 9 10 Deutsch Mathematik Englisch 7/4 8/4 6/4 7/4 8/4 6/4 6/4 6/4 4/3 6/4 6/4 4/3 6/4 6/4 4/3 - Deutsch Mathematik 1.Fremdsprache 2.Fremdsprache Französisch 7/4 8/4 6/4 - 7/4 8/4 6/4 - 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 5/3 6/4 5/3 6/4 Deutsch Mathematik 1.Fremdsprache Englisch 2.Fremdsprache Französisch Latein 3.Fremdsprache Französisch Latein Physik 7/4 8/4 6/4 7/4 8/4 6/4 6/4 5/3 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 - - 6/4 6/4 6/4 6/4 - - - - 6/4 6/4 - - - - 4/2 4/2 - Deutsch Mathematik 1.Fremdsprache Englisch 2.Fremdsprache Französisch Latein 3.Fremdsprache Französisch Latein Physik 7/4 8/4 6/4 7/4 8/4 6/4 6/4 5/3 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 5/3 5/3 5/3 - - 6/4 6/4 6/4 6/4 - - - - 6/4 6/4 - - - - 4/2 4/2 Deutsch Mathematik 1. Fremdsprache Englisch 2. Fremdsprache Technik/ Wirtschaftslehre 3. Fremdsprache Französisch Latein Weltkunde Naturwissenschaften 7/4 8/4 6/4 7/4 8/4 6/4 6/4 5/3 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 6/4 5/3 5/3 5/3 - - 6/4 6/4 5/3 5/3 - - - - 6/4 6/4 3/2 3/2 4/2 3/2 4/2 3/2 4/2 3/2 3/2 3/2 3/2 3/2
