Planungsbeispiel Physik

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1 Know-how : Vom Lehrplan zur individuellen Unterrichtsplanung Kompetenzschwerpunktes: Planungsbeispiel Physik Die Bereitstellung und Übertragung elektrischer Energie untersuchen und vergleichen Autoren Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz Hinweis Dieses Planungsbeispiel lehnt sich an das Muster des ersten Planungsbeispiels Die Wirkungen von Strahlung untersuchen und bewerten an. Deshalb werden die dort allgemein ausgeführten Hinweise zu jedem einzelnen Schritt an dieser Stelle nicht noch einmal aufgenommen. Außerdem werden die kursiv gekennzeichneten Schritte ausgelassen. Schrittfolge 1 Erstellung eines Zuordnungsschemas (Kompetenzen Grundwissen) 2 Erstellung eines fachlichen Netzes (Fachinhalte) 3 Ermittlung der konkreten Ausgangssituation 4 Prüfung sinnstiftender Kontexte auf Eignung 5 didaktische Aufbereitung des Kontextes 6 Feinplanung der Unterrichtssequenz 7 vorläufige Festlegung des zeitlichen Umfangs 8 Diagnose der Kompetenzentwicklung (Material 6 und 7) 1

2 Vorbemerkung Zur Verbesserung des Stoff-Zeit-Verhältnisses wurden grundlegende physikalischen Inhalte und deren technische Anwendungen folgender Themen der Rahmenrichtlinien 1999 neu geordnet: - Elektromagnetische Induktion Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie (ZRW 12 Std.) - Kernenergie (ZRW 5 Std.) - Energieversorgung Situation, Probleme, Perspektiven (ZRW 8 Std.) - Bauelemente und Schaltungen der Elektronik Grundlagen und Anwendungen (ZRW 10 Std.) Diese Neuordnung hat als Grundidee einen Unterricht, der auf exemplarisches Lernen ausgerichtet ist und damit zugleich die Herausbildung eines auf neue Kontexte flexibel anwendbaren Grundwissens unterstützt. Damit dies gelingen kann, wurden die physikalischen Inhalte stark reduziert und auf grundlegende Elemente konzentriert: Die elektromagnetische Induktion und der innere fotoelektrische Effekt werden mit dem Ziel behandelt, die physikalischen Grundlagen der Erzeugung elektrischer Energie und ihre Verteilung im Netz zu verstehen. Damit wird bewusst auf die verbindliche Behandlung anderer physikalischer Inhalte verzichtet. Das betrifft z. B. die Lenz sche Regel, die Wirbelströme und die Selbstinduktion, aber auch die Leitungsvorgänge in Gasen, in Flüssigkeiten und im Vakuum sowie die Diode, den Transistor und den Thermistor. Die Kraftwerke zur Erzeugung elektrischer Energie werden vergleichend mithilfe von Blockschaltbildern und Energieflussdiagrammen behandelt, um die Schülerinnen und Schüler für eine Teilnahme an der gesellschaftlichen Diskussion um die Zukunft der Energieversorgung mit Sachkenntnissen Dabei wird bewusst auf eine verbindliche Behandlung der physikalischen Grundlagen eines Kernkraftwerkes (Kernspaltung, Kettenreaktion) und deren technische Umsetzung (Druckwasserreaktor) verzichtet. 2

3 Zur Vereinfachung der weiteren Arbeit werden die Teilkompetenzen im Lehrplan innerhalb der Kompetenzbereiche nummeriert. Kompetenzschwerpunkt: Bereitstellung und Übertragung elektrischer Energie untersuchen und vergleichen Fachwissen anwenden 1 das Entstehen einer Induktionsspannung erklären 2 die Notwendigkeit der Verwendung hoher Spannungen für den Transport elektrischer Energie begründen 3 aus dem Spannungsverhältnis die Windungszahlen der Primär- und Sekundärspule bestimmen 4 den Aufbau von reinen und dotierten Halbleitermaterialien beschreiben und elektrische Eigenschaften ableiten 5 das Entstehen einer Grenzschicht beim p-n-übergang erklären 6 die Freisetzung zusätzlicher Ladungsträger durch Lichteinfall beschreiben Erkenntnisse gewinnen Kommunizieren 1 Messgeräte sicher einsetzen 2 selbstständig Experimente (bei umfangreichem Aufbau nach schriftlicher Anleitung) durchführen und auswerten: unbelasteter Transformator Solarzelle/Solarmodul 1 Texte aus unterschiedlichen Quellen auf Relevanz beurteilen und erschließen 2 den prinzipiellen Aufbau von Kraftwerken mithilfe von Blockschaltbildern beschreiben 3 Energieflussdiagramme in Kraftwerken erläutern und Wirkungsgrade bestimmen 4 den Aufbau von Generator, Transformator und Solarmodul beschreiben und deren prinzipielle Wirkungsweise erklären 5 Ergebnisse von Recherchen bzw. Erkundungen in Texten, die Tabellen und Zeichnungen enthalten können, auch mithilfe des PC darstellen Bewerten 1 alternative technische Lösungen zur Energiebereitstellung unter den Aspekten der Nachhaltigkeit vergleichen und bewerten 2 Auswirkungen der Nutzung der elektrischen Energie in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen beschreiben Grundlegende Wissensbestände - Umwandlung anderer Energiearten in elektrische Energie - elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz - Fotovoltaik (Halbleiter, Dotierung, Halbleiterdiode) - Generator, Transformator, Solarzelle - Kernkraftwerk, Wärmekraftwerk, Wasserkraftwerk, Windkraftwerk 3

4 1 Erstellung eines Zuordnungsschemas (Kompetenzen Grundwissen) Die einzelnen Kompetenzen und grundlegenden Wissensbestände wurden hier in drei Blöcken geordnet, die eine mögliche Strukturierung des Unterrichtsablaufes widerspiegeln. Die erste Zeile (Umwandlung ) ist immanenter Bestandteil dieser drei Blöcke Umwandlung anderer Energiearten in elektrische Energie elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz Fachwissen anwenden Erkenntnisse gewinnen Kommunizieren Bewerten 1, Block 1 1, 2 1, Generator, Transformator, 3 1, Fotovoltaik (Halbleiter, Dotierung, Halbleiterdiode) Block 2 4, 5, 6 1 Solarzelle 1, 2 4 Kernkraftwerk, Wärmekraftwerk, Wasserkraftwerk, Windkraftwerk Block 3 2 Erstellung von fachlichen Netzen (Fachinhalte) 1, 2, 3, 5 1 Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass die drei angegeben Blöcke eine Möglichkeit ist, die physikalischen Inhalte zu ordnen. Netzwerk für den Block Induktion Magnetfeld eines Stabmagneten Magnetfeld einer Spule elektromagnetische Induktion durch Bewegung eines Magneten oder einer Spule durch Veränderung der Feldstärke eines stehenden Magneten Generator Transformator Widerstandsgesetz Merkmale eines Wechselstroms Die farblich markierten Felder sind Wissenselemente aus den Schuljahrgängen 7/8. 4

5 Netzwerk für den Block Fotovoltaik Halbleiter n- leitend p- leitend Grenzschicht Kennlinie Wirkungsgrad Solarzelle innerer lichtelektrischer Effekt Reihen- und Parallelschaltung von Spannungsquellen Solarmodul Akkumulator Die farblich markierten Felder sind Wissenselemente aus den Schuljahrgängen 7/8. Netzwerk für den Block Kraftwerk Kraftwerk Wirkungsgrad Energiearten Blockschaltbild Energieflussdiagramm Dampferzeuger Turbine Generator Transformator Wasserrad Windrad Die farblich markierten Felder sind Wissenselemente aus den Schuljahrgängen 7/8. 5

6 3 Ermittlung der konkreten Ausgangssituation Voraussetzung, die nach Lehrplan im Unterricht anderer Fächer erworben wurden: Fächer Sjg. Kompetenzschwerpunkte Kompetenzen Technik 9 Technische Systeme beschreiben und analysiere die Vielfalt technischer Lösungen zur Realisierung eines Bedürfnisses als Merkmal der Technik erkennen die Zweckgerichtetheit und Zwiespältigkeit der Technik bei ihrer individuellen und gesellschaftlichen Nutzung erkennen und erläutern technisch wichtige Energiearten und -träger nennen die technische Verarbeitung eines erneuerbaren Energieträgers beschreiben das Zusammenwirken von Stoff-, Energie- und Datenflüssen in einfachen und ausgewählten komplexen technischen Systemen sowie deren Funktion erkennen und beschreiben den Einfluss der Technik auf Berufsfelder erkennen und beim individuellen Berufskonzept berücksichtigen Lösungsvarianten auch für großtechnische Projekte und jeweilige Zielkonflikte erkennen gewollte und ungewollte Auswirkungen von Alltagstechnik und Großtechnologien erkennen und Handlungsmöglichkeiten abwägen Bewertungsmethoden an Beispielen nachvollziehen grundlegende Wissensbestände Anlage zur Nutzung erneuerbarer Energie (exemplarisch) - Energieträger und -arten - Aufbau und Funktion einzelner Baugruppen - Einfluss von baulichen und äußeren Bedingungen auf den Wirkungsgrad - Vor- und Nachteile des Einsatzes Anlagen der Ver- und Entsorgung - Bedeutung der Versorgung mit Wasser oder Energie - Verbundsysteme (Netze) - Kreisläufe, Energie- bzw. Stoffströme - Versorgungssicherheit (Quantität, Qualität - Normen) - Verbrauchsmessungen, Einsparpotentiale - Notwendigkeit der Entsorgung und technische Lösungen - Möglichkeiten der Bürgerbeteiligung an Planungs- und Genehmigungsverfahren 6

7 Fächer Sjg. Kompetenzschwerpunkte Kompetenzen Chemie Biologie 7/8 Wasser als lebensnotwendige Verbindung untersuchen 9 Kohlenstoff, Silicium als bedeutende Stoffe vergleichen Erdöl und Erdgas - Stoffgemische zur Bewältigung globaler Energieprobleme und Auslöser territorialer Konflikte charakterisieren 9 Wechselwirkungen zwischen Organismus und Umwelt erläutern Zerlegung und Bildung von Wasser erläutern Nutzung von Wasser als Energieträger beurteilen Kohlenstoffdioxid als einen Verursacher des Treibhauseffektes charakterisieren Kohlenstoffdioxidkreislauf beschreiben Ursachen und Folgen des Treibhauseffektes in Medien recherchieren, diskutieren, dokumentieren und in geeigneter Form präsentieren fachlich korrekt und folgerichtig zum Treibhauseffekt argumentieren Aussagen zum Treibhauseffekt beurteilen Entstehung, Förderung und Transport von Erdöl und Erdgas beschreiben Energiebereitstellung durch Erdöl und Erdgas unter ökologischen, ökonomischen und gesellschaftsrelevanten Gesichtspunkten bewerten die 3 Säulen (ökonomische, ökologische und soziale Säule) von nachhaltiger Entwicklung dokumentieren Eingriffe von Menschen in die Natur und Kriterien (z. B. Schaffung landwirtschaftlicher Nutzfläche, Verkehrswege, Städte- und Industriebau, Gewinnung von Rohstoffen) für solche Entscheidungen erörtern Einfluss des Menschen auf verschiedene Ökosysteme erfassen und bewerten Maßnahmen für eine nachhaltige Entwicklung kritisch hinterfragen zu Fragen der AGENDA 21, des lokalen, regionalen und globalen Umweltschutzes Stellung nehmen grundlegende Wissensbestände Wasser als Ressource und seine Bedeutung als Energieträger Bildung und Zerlegung von Wasser Kohlenstoffdioxidkreislauf, Treibhauseffekt Erdöl, Erdgas Entstehung, Vorkommen, Förderung, Transport, Wirtschaftsfaktor Kohlenwasserstoffe Nutzung als Energieträger Auswirkungen menschlichen Handelns auf Organismen und Umwelt Umwelt- und Naturschutz/AGENDA 21 7

8 Fächer Sjg. Kompetenzschwerpunkte Kompetenzen Geographie Sozialkunde 10 Ausgewählte Kernprobleme des Globalen Wandels erörtern 10 Politische Lösungsstrategien für den Klimawandel untersuchen (mit Planspiel oder Problemstudie) globale Klimaveränderungen erörtern, Auswirkungen auf verschiedene Regionen der Erde erläutern die Vielfalt und Verfügbarkeit von Ressourcen beschreiben; ihre Nutzung und Gefährdung sowie ihren nachhaltigen Schutz erörtern, dabei Syndrome des Globalen Wandels einbeziehen Maßnahmen zur Lösung von Kernproblemen diskutieren, dabei Informationen aus internationalen Vertragstexten entnehmen den eigenen Lebensstil unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit kritisch hinterfragen und Schlussfolgerungen für das Handeln ableiten gemeinsame Probleme und gegensätzliche Interessen beim nachhaltigen Klimaschutz erklären politische Handlungsmöglichkeiten beim Klimaschutz prüfen politisch-institutioneller Umgang mit dem globalen Klimaschutz mithilfe der gewählten Methode diskutieren mithilfe weiterer Methoden sich mit der Nachhaltigkeit vorgeschlagener Lösungsstrategien auseinandersetzen grundlegende Wissensbestände Klimawandel Klimaschutz als alltägliches Problem staatliche und nichtstaatliche Akteure beim politischen Umgang mit dem Klimawandel Ursachen des Klimawandels und Lösungsstrategien für globalen Klimaschutz Klimaschutz als globales Zukunftsproblem Aus dieser Übersicht wird deutlich, dass die Fächer Biologie, Chemie Physik, Geographie und Technik jeweils spezifische fachliche Grundlagen bereitstellen, die es ermöglichen, im Fach Sozialkunde ein Planspiel oder eine Problemstudie zum Thema Politische Lösungsstrategien zum Klimawandel untersuchen durchzuführen. Es ist bei der Unterrichtsplanung zu bedenken, dass bedeutende Bildungselemente zum Klimawandel durch die Fächer Geographie und Sozialkunde erst im Schuljahrgang 10 behandelt werden. 8

9 6 Feinplanung der Unterrichtssequenz Phase inhaltlicher Schwerpunkte didaktisch-methodische Gestaltung Materialien 1 (8 h) Betreibung elektrischer Geräte ohne Netz Kontext: Radio, Laptop ohne Netz und Batterie Erarbeitung der theoretischen Grundlagen in gleicher Front SE zur Erzeugung einer Induktionsspannung Material 1: Anregungen für SE - Induktionsgesetz, Generator SE zu Einflussgrößen auf die Leistung, die mit - innerer lichtelektrischer Effekt einer Solarzelle erzeugt werden kann Material 2: Anregungen für SE 2 (2 h) 3 (7 h) 4 (3 h) 5 (2 h) Übertragung elektrischer Energie - Anwendung Widerstandsgesetz - Gesetze am Trafo Anpassung der Spannung an Nutzer Erzeugung elektrischer Energie durch Kraftwerke - prinzipieller Aufbau - Energieflussdiagramm - Vor- und Nachteile einzelner Kraftwerke - Auswirkungen auf Umwelt Energieversorgung und Umwelt Kontext: Für und Wider die Errichtung eines Windparks in der Gemeinde Erarbeitung der theoretischen Grundlagen in gleicher Front SE zu den Gesetzmäßigkeiten des unbelasteten Transformators Erkundung eines Kraftwerkes Gruppenarbeit zu den einzelnen Kraftwerken - Kernkraftwerk - Kohlekraftwerk - Gaskraftwerk - Wasserkraftwerk - Windkraftwerk z. B. als Rollenspiel unter Einbeziehung fächerübergreifender Aspekte Material 3: Vor- und Nachbereitung einer Kraftwerkserkundung Material 4: Anregungen für Gruppenarbeit Material 5: Anregungen für das Rollenspiel Evaluierung des Lernstandes Klassenarbeit Material 6:Testaufgabe Material 7: Klassenarbeit auf Realschulniveau 7 vorläufige Festlegung des zeitlichen Umfangs In der obigen Tabelle sind zur Orientierung mögliche zeitliche Umfänge für die einzelnen Phasen angegeben. Der an einigen Stellen relativ große Umfang ergibt sich aus dem breiten Anteil an selbstständiger Schülertätigkeit. Die vorgeschlagene Erkundung eines Kraftwerks sollte gemeinsam mit den Fächern Geographie, Technik und Wirtschaft organisiert werden. 9