2. Der Unterricht im Fach Physik in der Sekundarstufe I des Gymnasiums

Der Physikunterricht setzt in der Regel in der Erprobungsstufe ein und ist nach der Stundentafel in der Sekundarstufe I insgesamt mit mindestens 6 Wochenstunden zu erteilen. Mit Blick auf die angestrebte Kompetenzentwicklung bis zum Ende der Sekundarstufe I ist sicher zu stellen, dass die Schülerinnen und Schüler über die jeweils ausgewiesenen Kompetenzen verfügen.
Die Jahrgangsstufen 5 und 6 knüpfen an die Arbeit der Grundschulen an, bemühen sich um eine Angleichung der Voraussetzungen und stellen somit eine einheitliche Ausgangsbasis her. Im Physikunterricht kann dabei auf diejenigen Kompetenzen zurückgegriffen werden, die bereits im Sachkundeunterricht erworben wurden. Die Jahrgangsstufen 5 – 9 des Gymnasiums bereiten auf die Anforderungen der gymnasialen Oberstufe vor.

Zunehmend werden im Laufe des Unterrichts der Erwerb der exakten Fachsprache, die Fähigkeit zur differenzierten Modellbildung und zur Abstraktion sowie die Einbeziehung quantitativer Aspekte und die Mathematisierung bedeutsam.
Am Ende der Sekundarstufe I ist damit eine Grundlage für den Übergang in die gymnasiale Oberstufe sichergestellt, so dass Problemstellungen mit hohem Komplexitäts- und Vernetzungsgrad fachlich sachgerecht bearbeitet werden können.

Die in Kapitel I beschriebenen Aufgaben und Ziele des Unterrichts in naturwissenschaftlichen Fächern in der Sekundarstufe I erfordern eine Unterrichtsgestaltung, die in allen Altersstufen einen starken Akzent auf Verstehen und Anwenden legt. Der kumulative Aufbau komplexen Fachwissens erfolgt - den KMK-Bildungsstandards folgend – in strukturierten Basiskonzepten.
In allen drei Fächern wird darüber hinaus die Bedeutung einer nachhaltigen Entwicklung vermittelt. Gesundheits- und Verkehrserziehung, Medienbildung sowie die Förderung der deutschen Sprache werden ebenfalls einbezogen (APO-SI § 6 (6) „Förderung in der deutschen Sprache als Aufgabe des Unterrichts in allen Fächern").

Im Rahmen des bilingualen Angebots wird in den Fächern der Naturwissenschaften zusätzlich schrittweise auf fachsprachliches und fachmethodisches Arbeiten in der Fremdsprache hingeführt.

Der Fachlehrplan Physik soll auch einen Beitrag zur Berufsorientierung (Richtlinien zur Berufsorientierung BASS 12-21 Nr. 1.3.1) leisten. Schülerinnen und Schüler sollen Berufsfelder kennen und darstellen lernen, in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind. An geeigneten Stellen werden auch technische Sachverhalte einbezogen.

Systematischer Wissensaufbau mit Hilfe von Basiskonzepten

Basiskonzepte sind grundlegende, für den Unterricht eingegrenzte und für Schülerinnen und Schüler nachvollziehbare Ausschnitte fachlicher Konzepte und Leitideen. Sie stellen elementare Prozesse, Gesetzmäßigkeiten und Theorien der naturwissenschaftlichen Fächer strukturiert und vernetzt dar. Sie beinhalten zentrale, aufeinander bezogene Begriffe, erklärende Modellvorstellungen und Theorien, die sich in dem jeweiligen Fach zur Beschreibung elementarer Phänomene und Prozesse als relevant herausgebildet haben. Dabei erheben sie nicht den Anspruch, jeweils das gesamte Fach vollständig abzubilden. Die vier für den Physikunterricht der Sekundarstufe I bedeutsamen Basiskonzepte „System“, „Struktur der Materie“, „Energie“ und „Wechselwirkung“ werden in Kapitel 3.2. näher erläutert.

Die besondere Bedeutung der Basiskonzepte für das Lernen besteht darin, dass mit ihrer Hilfe schulische Inhalte der einzelnen naturwissenschaftlichen Fächer und damit auch im Fach Physik sinnvoll strukturiert werden und die fachlichen Beziehungen durch den Konzeptgedanken über die gesamte Lernzeit miteinander verbunden werden können. Basiskonzepte bilden als strukturierte Wissensbestände den Rahmen, in dem neue Erfahrungen mit schon erworbenen Kenntnissen verbunden werden. Sie erleichtern so den kontinuierlichen Aufbau von fachlichen Kompetenzen im Sinne kumulativen Lernens und den Erwerb eines grundlegenden, vernetzten Wissens. Sie helfen, Vorgänge in der Natur und Technik zu verstehen, bei neuen Phänomenen und Fragestellungen bekannte Zusammenhänge sowie Strukturen zu erkennen und zur Erklärung heranzuziehen. Sie werden Schritt für Schritt durch alle Jahrgangsstufen hindurch in unterschiedlichen Zusammenhängen erkenntniswirksam immer wieder aufgegriffen, thematisiert und weiter ausdifferenziert. Sie bilden die übergeordneten Strukturen im Entstehungsprozess eines vielseitig verknüpften Wissensnetzes. Fachinhalte können dabei aus unterschiedlichen Konzeptperspektiven betrachtet und aus der Sicht des jeweiligen Basiskonzepts strukturiert vernetzt werden.

Lernprozessorientiertes Lehren und handlungsorientiertes Lernen

Eine grundlegende Erkenntnis der Lernforschung ist, dass Wissen am besten in geeigneten Zusammenhängen, also in fachlichen Kontexten, erworben wird. Darunter sind fachbezogene Anwendungsbereiche zu verstehen. Derartig erworbenes Wissen ist leichter und nachhaltiger aktivierbar und lässt sich erfolgreicher in neuen Zusammenhängen anwenden. Dies wird durch Bezüge zwischen Lern- und Anwendungsbereichen begünstigt. Der Unterricht in den Fächern Physik, Chemie und Biologie wird daher in solchen Kontexten gestaltet. Auf diese Weise gelingt es, fachliches Wissen in für Schülerinnen und Schüler Sinn gebenden Zusammenhängen zu entwickeln. Dieses Wissen muss allerdings immer wieder aus den Erwerbskontexten herausgelöst und in die fachsystematischen Strukturen der Basiskonzepte integriert werden, um es anschlussfähig und verfügbar zu machen. So wird zum einen sichergestellt, dass die KMK-Bildungsstandards für den mittleren Schulabschluss erreicht werden, zum anderen wird aber auch ein tragfähiges Fundament für die gymnasiale Oberstufe gelegt.

Ausgehend von Alltagserfahrungen und Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler sowie von den im Sachunterricht der Grundschule erworbenen Kompetenzen führt der Unterricht in den Fächern Physik, Chemie und Biologie in der Sekundarstufe I weiter an naturwissenschaftliche Konzepte, Sicht- und Arbeitsweisen heran. Ausgangspunkt eines ersten Verständnisses von Zusammenhängen sind bestehende Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler, die behutsam in Richtung tragfähiger fachlicher Konzepte erweitert, umgeformt oder durch diese ersetzt werden müssen.

Dabei soll die bei Schülerinnen und Schülern anzutreffende Freude am Entdecken und Lernen genutzt und weiter gefördert werden. Wird eigenes Erleben und Handeln durch systematisches, durch Modelle und Theorien gestütztes Fragen, Beobachten und Beschreiben geleitet, werden für Schülerinnen und Schüler in der Sekundarstufe I altersgemäß naturwissenschaftliche Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten sichtbar sowie anschlussfähige und vernetzbare Konzepte entwickelt.

In diesen Zusammenhängen spielt die Nutzung neuer Medien eine wichtige Rolle. Sie werden bei der Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten und der Darstellung und der Simulation fachlicher Sachverhalte ebenso eingesetzt wie bei der Suche nach Informationen, der Präsentation und der Kommunikation von Überlegungen und Ergebnissen.

Darüber hinaus werden in fachlichen Zusammenhängen auch Kompetenzen entwickelt, die über das Fachliche hinaus von Bedeutung sind. Zu ihnen gehören z. B. die Lesekompetenz, die Fähigkeit zur Informationsbeschaffung, Kommunikations- und Teamfähigkeit sowie Fähigkeiten zu selbst bestimmtem Lernen und zur Reflexion der eigenen Tätigkeit.

Vernetzung der naturwissenschaftlichen Fächer und Öffnung für die Technik

Der vorliegende Lehrplan bietet viele Möglichkeiten zur Einbindung technischer Sachverhalte.

Im Fach Physik können im Unterricht durchgeführte Experimente Abläufe verdeutlichen, die in Industrieanlagen meist vollautomatisch gesteuert ablaufen. Dabei werden Produktions-, Verarbeitungs- und Veredelungsprozesse in den Blick genommen, die mit Hilfe von Maschinen und Computern in Gang gesetzt und kontrolliert werden. Die Steuerung und Regelung wird in der Regel durch Anwendung physikalischer Gesetzmäßigkeiten durchgeführt und kann auch im Unterricht simuliert werden. Zunehmend bedeutsam werden energieumwandelnde Abläufe und ihre technischen Steuerungsmöglichkeiten.

Als konkrete Beispiele seien genannt:

  • Steuerung von Kraftwerksanlagen
  • Medizintechnik, z. B. Sehhilfen oder Hörgeräte
  • Verwendung von Werkzeugen
  • Technische und medizinische Anwendungen der Radioaktivität
  • Energieumwandlung und deren Effizienz in technischen Großanlagen, auch unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit.

Überdies bieten sich Möglichkeiten, über Vorteile und Risiken der technischen Nutzung naturwissenschaftlicher Kenntnisse zu reflektieren.

Darüber hinaus sollte an ausgewählten Beispielen aufgezeigt werden, dass fachliche Kompetenzen aus mehreren Fächern und eine interdisziplinäre Herangehensweise notwendig sind, um komplexere Fragestellungen zu lösen. Fachübergreifende Aspekte sollen überall, wo es sinnvoll ist, aufgegriffen und Vernetzungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass Konzepte und Begriffe mit dem Anspruch auf Anschlussfähigkeit eingeführt werden und in ihren Definitionen und Tragweiten zwischen den Fächern abgestimmt werden.

Vernetzung mit Mathematik

Das Fach Physik hat vielfältige Berührungspunkte zum Fach Mathematik. Physikalische Gesetzmäßigkeiten werden zunehmend mathematisiert. Umgekehrt ist es möglich, durch die Anwendung mathematischer Methoden zu Vorhersagen zu kommen, die sich dann experimentell überprüfen lassen. Daher ist es notwendig, wo irgend möglich, den Fachunterricht aufeinander abzustimmen und die Kompetenzen, die im Mathematikunterricht erworben werden, auch im Physikunterricht zu nutzen.
Die im Kernlehrplan Mathematik genannten prozessbezogenen Kompetenzen zum Umgang mit Werkzeugen sind dafür wichtige Beispiele. Dazu gehören u. a. auch die Nutzung von Tabellenkalkulation sowie das Anfertigen von Diagrammen.

Kompetenzerwerb im Physikunterricht

Kompetenzen

Der naturwissenschaftliche Unterricht der Grundschule und der Unterricht in den Fächern Physik, Biologie und Chemie in der Sekundarstufe I ermöglichen den Erwerb von Kompetenzen, die insgesamt naturwissenschaftliche Grundbildung ausmachen. In den Bildungsstandards werden diese unterschieden in

  • konzeptbezogene Kompetenzen, die die Inhaltsdimension beschreiben, somit das Fachwissen festlegen und sich auf naturwissenschaftliche Basiskonzepte und mit ihnen verbundene Vorstellungen und Begriffe beziehen,
  • prozessbezogene Kompetenzen, die die Handlungsdimension beschreiben und sich auf naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen beziehen. 

Konzeptbezogene Kompetenzen umfassen das Verständnis und die Anwendung begründeter Prinzipien, Theorien, Begriffe und Erkenntnis leitender Ideen, mit denen Phänomene und Vorstellungen in dem jeweiligen Fach beschrieben, geordnet sowie Ergebnisse vorhergesagt und eingeschätzt werden können. Auf dieser Wissensbasis können die Schülerinnen und Schüler die natürliche bzw. die von Menschen veränderte Welt verstehen und Zusammenhänge erklären. Diese inhaltliche Dimension, in den Bildungsstandards als Fachwissen bezeichnet, wird durch fachliche Basiskonzepte als übergeordnete Strukturen systematisierten und strukturierten Fachwissens abgebildet. Erworbene fachliche Kompetenzen werden in Basiskonzepte eingebunden und so vernetzt gesichert.
Prozessbezogene Kompetenzen beschreiben die Handlungsfähigkeit der Schülerinnen und Schüler in Situationen, in denen die Nutzung naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen erforderlich ist. Den Bildungsstandards entsprechend sind sie durch die drei Bereiche Erkenntnisgewinnung, Bewertung und Kommunikation geordnet. Da sie zum großen Teil für die Fächer Physik, Chemie und Biologie gleich bedeutsam und ähnlich formuliert sind, sind hinsichtlich ihrer Vermittlung zwischen den Fachkonferenzen Absprachen zu treffen. Durch systematisches und reflektiertes Experimentieren, durch Nutzen physikalischer Untersuchungsmethoden und Theorien, durch Auswerten und Bewerten und nicht zuletzt durch Präsentieren und Kommunizieren der Ergebnisse entwickeln Schülerinnen und Schüler prozessbezogene Kompetenzen. Konkrete, sich entwickelnde und zu beobachtende Kompetenzen verbinden Schüleraktivitäten mit fachlichen Inhalten, sie besitzen also stets eine Handlungs- und eine Inhaltsdimension.

Im Kapitel 3 werden die Kompetenzerwartungen für das Fach Physik in der Sekundarstufe I benannt und beschrieben.

Der Unterricht in den Fächern Physik, Chemie und Biologie unterstützt gleichzeitig auch die Entwicklung personaler und sozialer Kompetenzen, die lebenslanges Lernen und gesellschaftliche Mitgestaltung ermöglichen. Schülerinnen und Schüler sollen deshalb im Unterricht insbesondere Verantwortung für das eigene Lernen übernehmen, bewusst Lernstrategien einsetzen und gemeinsam mit anderen physikalische, biologische und chemische Phänomene erkunden und Konzepte erarbeiten.

Inhaltsfelder bilden den obligatorischen thematischen Zusammenhang, in dem Schülerinnen und Schüler in problem- und handlungsorientiert gestaltetem Unterricht Kompetenzen entwickeln. In den Inhaltsfeldern werden relevante und damit obligatorisch zu behandelnde Schwerpunkte, Begriffe und Theorien des Faches Physik aufgeführt. In welchem Ausprägungsgrad dies jeweils erfolgen soll, beschreiben die ihnen zuzuordnenden konzeptbezogenen Kompetenzen. Dabei kann ein und dieselbe konzeptbezogene Kompetenz durchaus verschiedenen Inhaltsfeldern zugeordnet werden, um durch Wiederholung und Vertiefung besser verankert und damit nutzbar zu werden.

Den Inhaltsfeldern sind fachliche Kontexte zugeordnet, die ebenfalls in einem größeren Zusammenhang stehen. Sie strukturieren und akzentuieren die Inhalte unter verschiedenen, sich ergänzenden Perspektiven auf Anwendungsbereiche und knüpfen an Erfahrungen und an das Vorwissen der Schülerinnen und Schüler an. Damit lenken sie in einer altersgemäßen Form den Blick auf bedeutsame Situationen und Fragestellungen, in denen physikalische Sicht- und Arbeitsweisen zum Verständnis der Welt beitragen können. Sie schließen an geeigneten Stellen auch übergeordnete Aspekte wie Gesundheit, Nachhaltigkeit, Ressourcenschonung, Umweltschutz und ethische Fragen ein.

Auf diese Weise werden für Schülerinnen und Schüler relevante Perspektiven auf Sachverhalte und Anwendungsbereiche eröffnet, die auch über das Fach Physik hinausweisen können. Die Verankerung des Gelernten in den fachsystematischen Strukturen der Basiskonzepte hilft dabei, bereits erworbene Kompetenzen aus anderen Fächern zu nutzen und thematisch an andere Fächer anzuschließen.

Im Kapitel 4 werden hierzu weitere Erläuterungen gegeben.