0 Einführung: Was ist Physikdidaktik?...3

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1 Inhaltsverzeichnis Teil I: Physikdidaktik eine Einführung 0 Einführung: Was ist Physikdidaktik? Was ist Physik? Was ist Didaktik? Physikdidaktik: Forschung und Lehre über Physikunterricht Warum Physikunterricht? Bildungstheoretische und pragmatische Begründungen ein Rückblick Zur Bildungstheorie und zu ihrem Einfluss auf den Physikunterricht Pragmatische Schultheorie und naturwissenschaftlicher Unterricht Die physikalische Dimension des Physikunterrichts Zur Entwicklung und zum Aufbau der Physik Zusammenfassung Über die Natur der Naturwissenschaften lernen Zusammenfassende Bemerkungen Die gesellschaftliche Dimension des Physikunterrichts Die moderne technische Gesellschaft Veränderte Einstellungen zur Technik -Wertewandel Technik- und Wissenschaftsethik Naturwissenschaftlicher Unterricht und das Prinzip Verantwortung Umwelterziehung und Bildung der Nachhaltigkeit Zusammenfassende Bemerkungen Die pädagogische Dimension des Physikunterrichts Die übergangene Sinnlichkeit im Physikunterricht eine Kritik Schulphysik als Umgang mit den Dingen der Realität Begegnung mit den Dingen der Realität in der Schulphysik Schülervorstellungen und humanes Lernen Zusammenfassung Gerüst dieser Physikdidaktik Dimensionen der Physikdidaktik Leitideen, physikdidaktische Dimensionen und methodische Prinzipien Perspektiven des naturwissenschaftlichenunterrichts Ergänzende und weiterführende Literatur Ziele im Physikunterricht Wie kommt man zu Zielen? Die didaktische Analyse im Physikunterricht Gesichtspunkte für die Inhaltsauswahl Fragenkatalog für die didaktische Analyse...84

2 X Inhaltsverzeichnis 2.2 Lernziele über Lernziele Verschiedene Zielebenen Zielklassen und Anforderun gsstufen Physikdidaktische Zielklassen Konzeptziele (Begriffliche Ziele) Prozessziele (Fähigkeiten und Fertigkeiten) Soziale Ziele Ziele über Einstellungen und Werte Zusammenfassung Sachstrukturdiagramme - Lernzielformulierungen Sachstrukturdiagramme Wie werden Lernziele formuliert? Ergänzende und weiterführende Literatur Elementarisierung und didaktische Rekonstruktion Elementarisieren didaktisch rekonstruieren: Wie macht man das? Pestalozzis Traum nicht nur historische Bemerkungen Kriterien der didaktischen Rekonstruktion Heuristische Verfahren der didaktischen Rekonstruktion Didaktische Rekonstruktionen von begrifflichen und technischen Systemen Ein Grundmuster des Physikunterrichts Vereinfachung durch Experimente Vereinfachung durch ikonische Darstellungen Vereinfachung durch symbolische Darstellungen Elementarisierung technischer Systeme Elementarisierung durchanalogien Was sind Analogien? Beispiel: Die Wasseranalogie zum elektrischen Stromkreis Notwendige Bedingungen für Analogien im Physikunterricht Zusammenfassung: Analogien im Physikunterricht Über die Elementarisierung physikalischer Objekte und Methoden Zur Elementarisierung physikalischer Objekte Elementarisierung physikalischer Methoden Zusammenfassung und Ausblick Ergänzende und weiterführende Literatur Methoden im Physikunterricht Methodische Großformen Offener Unterricht Freiarbeit Spiele im Physikunterricht Das Projekt Die Unterrichtseinheit der Kurs

3 Inhaltsverzeichnis XI 4.2 Unterrichtskonzepte des Physikunterrichts Exemplarischer Unterricht Genetischer Unterricht Entdeckender Unterricht Darbietender Unterricht Artikulationsschemata wie eine Unterrichtsstunde gegliedert wird Übersicht über einige Artikulationsschemata Die Phase der Motivation Zur Phase der Erarbeitung Zur Phase der Vertiefung Sozialformen im Physikunterricht Gruppenunterricht Individualisierter Unterricht Frontalunterricht Ergänzende und weiterführende Literatur Medien im Physikunterricht Begriffe und Klassifikationen Medium, Medienpädagogik, Mediendidaktik Klassifikationsschemata für Unterrichtsmedien Grundlagenwissen zummedieneinsatz Wahrnehmung und Gedächtnis Symbolsysteme und kognitive Repräsentation Bildhafte Darstellungen Bilder und Texte im Physikunterricht Die Funktion von Bildern Zum Instruktionsdesign mit Bildmedien Texte im Physikunterricht Die klassischen Medien Die Wandtafel Das Arbeitsblatt Das Schulbuch Der Arbeitsprojektor Weitere Projektionsgeräte Film- und Videotechnik -DVD und Videodisk Weitere Medien Experimente im Physikunterricht Experiment, Schulversuch und Medium Funktionelle Aspekte Klassifikation physikalischer Schulexperimente Empfehlungen für die Unterrichtspraxis Schülerexperimente...244

4 XII Inhaltsverzeichnis 6 Wie lässt sich der Lernerfolg messen? Allgemeine Kriterien und Verfahren zur Messung des Lernerfolgs Gütekriterien zur Messung des Lernerfolgs Was kann und soll mit der Messung des Lernerfolgs bezweckt werden? Welche unterschiedliche Typen von Bewertungsverfahren gibt es? Wie misst man den Lernerfolg im kognitiven Bereich? Lückentextaufgaben Multiplechoice- und Zuordnungsaufgaben Begriffsnetze (Concept maps) Aufgaben mit freier Antwort Aufsätze Sammeln von Evidenzen (Portfolio-Methode) Sieben Fehler bei der Formulierung schriftlicher Aufgaben Wie misst man den Lernerfolg im nichtkognitiven Bereich? Typen von Messverfahren Messung von Kooperation vs. Konkurrenz Messung der motivierenden Wirkung des Unterrichts Messung von Interessen Messung von Einstellungen Messung des emotionalen Gehalts von Begriffen Verfahren, die auf Beobachtung beruhen Zusammenstellung der beschriebenen Verfahren Planung und Analyse von Physikunterricht Unterrichtsplanung Planungsmodelle Der Unterrichtsentwurf Vorüberlegungen Die Unterrichtsskizze Schritte offener Unterrichtsplanung Analyse einer Unterrichtseinheit Unterrichtsbeobachtung Nachbesprechung es ist noch kein Meister vom Himmel gefallen Analysekriterien für die 2. Phase der Lehrerbildung Abschließende Bemerkungen Teil II: Physikdidaktik in der Praxis 8 Aktuelle Methoden I Projekte Die Sonne schickt uns keine Rechnung eine Projektwoche Physikalische und technische Grundlagen Überblick über das Unterrichtsprojekt Projektverlauf Schülerexperimente Zusammenfassung

5 Inhaltsverzeichnis XIII 8.2 Projekt Induktionsmotore Fachliches Ideen für Schüleraktivitäten Lernvoraussetzungen für das Projekt Schüleraktivitäten in den Gruppen Abschließende Bemerkungen Aktuelle Methoden II Lernzirkel Lernzirkel Einführung in die Akustik Ziele, Lernbereiche und Stationen Fachliche Grundlagen Unterrichtsmaterialien Zur Evaluation des Lernzirkels Lernzirkel Laser Lernvoraussetzungen, Inhalte und Organisation Elementarisierung und didaktische Rekonstruktion des Lasers Die Stationen des Lernzirkels Erfahrungenbei der Durchführung Anhang: Neue Laserschutzklassen Aktuelle Methoden III Spiele Gespielte Physik spielerische Physik Konstruktionsspiele technische Kreativität Gespielte Analogien modellhaftes Lernen Sinnhafte Spiele ursprüngliches Verstehen Neue Medien und Multimedia Der Computer im Physikunterricht Multimedia Das Internet Schwierigkeiten bei Internetrecherchen Information ordnen, Wissen vorstrukturieren Aufgabenkultur für Internetrecherchen Grundstrategien für Internetrecherchen Teil III: Moderne Teilgebiete des Physikunterrichts Überblick zum Teil Quantenphysik Vorbemerkungen Experimente der Quantenphysik Experimente, die mit Quantelung erklärt werden können Experimente, die man stochastisch beschreibt Experimente, die man mit Interferenz erklärt Experimente zum Komplementaritätsprinzip...436

6 XIV Inhaltsverzeichnis 12.3 Vorstellungen zur Quantenphysik Quantenobjekte als kleine Kügelchen Quantenobjekte als Wellen Welle oder Kügelchen, je nach Experiment Etwas verteiltes Stoffliches Die Kopenhagener Interpretation Unbestimmtheit und Schrödingers Katze Zur Nichtlokalität Formalismen für Vorhersagen Der verbale Formalismus für Interferenz und Komplementarität Der Zeiger-Formalismus Der Formalismus mit den Wahrscheinlichkeitspaketen Lösen der stationären Schrödingergleichung Fazit Elementarteilchenphysik in der Schule Elementarteilchenphysik im Überblick Die elementaren Teilchen Die vier fundamentalen Kräfte Neutrinos: Exoten unter den Elementarteilchen Die Suche nach demhiggs-boson Unterricht zur Elementarteilchenphysik Fachdidaktische Hinweise Vermittlung der Teilchenphysik in verschiedenen Elementarisierungsstufen Punktuelle Behandlung teilchenphysikalischer Themen Astronomie im Physikunterricht Einführung Astronomische Entfernungsmessung Übersicht über die Messmethoden Messung der Sonnenentfernung nacharistarch Messungen mit einem Sextanten Diskussion der Messergebnisse Vergleich mit Computerberechnungen Methodische und didaktische Empfehlungen Die Entfernung des Mondes Kooperatives Projekt zur Messung der Mondparallaxe Beispiel: Der Mond zwischen Saturn und Jupiter Auswertung Abstandsverhältnisse im Sonnensystem Bestimmung der Bahnradien Bestimmung des Radius der Marsbahn

7 Inhaltsverzeichnis XV 14.8 Internet-Projekt:Auswertung des Venustransits am 8. Juni Die parallaktische Verschiebung von Venus und die Entfernung der Sonne Schlussfolgerungen Astronomisches Schlechtw etter-praktikum Beispiel: Die Rotation der Sonne und die Astronomische Einheit Beispiel: Die Entfernung von Barnards Pfeilstern Chaos und Strukturbildung Deterministisch und unvorhersagbar Chaotische Schwingungen Das exzentrische Drehpendel Das chaotische Überschlagspendel Der chaotische Prellball Elektromagnetische Schwinger Chaotisches Wasserrad Der tropfende Wasserhahn Dissipative Strukturen Bénardkonvektion als dissipative Struktur Sand als dissipative Struktur Dissipative Strukturbildung bei der Entstehung von Flussnetzwerken Fraktale Elemente der fraktalen Geometrie Fraktale als physikalische Objekte Fraktale als nichtlineare Systeme Fraktale als Thema des Physikunterrichts Wege in die Nanowelt Mikro, Nano & technologischer Wandel Bilder eines komplexen Nanokosmos Reisen in die Nanowelt: Skalierungen Ertaste die Nano-Wirklichkeit Erfühle die molekulare Komplexität Kreative Potentiale fördern Nanotechnologien für maßgeschneiderte Materialien und Bauelemente Potentiale der Nanotechnologie Realisierungsformen von Nanostrukturen Herstellungsverfahren Anwendungen...550

8 XVI Inhaltsverzeichnis Teil IV: Aktuelle Beiträge zur Physikdidaktik 17 Mädchen im Physikunterricht Einleitung Ein erster Überblick Die besondere Situation der Mädchen im Physikunterricht Einige Ursachen Ansatzpunkte, um den Mädchen besser gerecht zu werden Fachdidaktische Beiträge zur Förderung der Mädchen im Physikunterricht Konkrete Unterrichtsvorschläge Die Interessenstudien des IPN Der BLK-Modellversuch Die Schweizer Koedukationsstudie Fehlende sinnstiftende Kontexte Fazit Alltagsvorstellungen und Physik lernen Beispiele für Alltagsvorstellungen Vorstellungen zu Phänomenen und Begriffen Vorstellungen über die Physik und über das Lernen Lehrervorstellungen Vorstellungen und Lernen Vorunterrichtliche Vorstellungen berücksichtigen Lernen Zur Rolle von Vorstellungen beimlernen Konzeptwechsel Unterricht auf der Basis von vorunterrichtlichenvorstellungen Anknüpfen Umdeuten Konfrontieren Unterrichtsstrategien, die Konzeptwechsel unterstützen Wärme Temperatur Energie Vorstellungen zum Teilchenmodell Anmerkungen und Literaturhinweise Abschließende Anmerkungen Literaturübersicht zu Alltagsvorstellungen Neue Medien unter lernpsychologischen Aspekten Multimodalität, Multicodierung, Interaktivität Theorien zum Lernen mit multiplen Repräsentationen Theorie zum Multimedialernen von Mayer Das integrierte Modell des Text- und Bildverstehens nach Schnotz und Bannert Darstellungsvielfalt und Lernen in Physik

9 Inhaltsverzeichnis XVII 19.3 Kognitive Belastungen und Maßnahmen Cognitive load berücksichtigen Supplantationkonzept und Kohärenzbildung Adaptive Programme Komplexes Lernen und Multimedia Hilfen zumaufbau mentaler Modelle Kognitive Flexibilität fördern Situiertes Lernen und Wissensverankerung Wissensstrukturierung und Vernetzung Abrundung Konstruktion und Bewertung von Physikaufgaben Einleitung Die Rolle vonaufgaben im naturwissenschaftlichen Unterricht Die Beurteilung von Aufgaben Ausblick Auf Wissen aufbauen - kumulatives Lernen in Chemie und Physik Einleitung Modelle vonwissen und Lernen Konsequenzen für das Lehren: Advance Organizer und Leitideen Vernetzung und kumulatives Lernen Die Modellierung vertikaler Vernetzung im Unterricht Niveaus vertikaler Vernetzung Vernetzungsaktivitäten Vernetzung und Unterrichtspraxis Rahmenbedingungen von Unterrichtsanalysen Implikationen für Unterricht Modellbegriff und Modellbildung in der Physikdidaktik Erläuterungen und Festlegungen zummodellbegriff Zweckmäßigkeit und Konventionen Eingrenzung des Modellbegriffs Erläuterungen zum Modellbegriff Formale Darstellung des Erkenntnisprozesses und Modelldefinition Analogien" zwischen Modell und Objekt Beziehungen zwischen Modell und Objekt Das Abbildungsmerkmal Das Verkürzungsmerkmal Gegenständliche Modelle: Strukturmodelle, Funktionsmodelle, gestaltähnliche Modelle...687

10 XVIII Inhaltsverzeichnis 22.3 Eigenschaften von Modellen Anschaulichkeit von Modellen Einfachheit von Modellen Transparenz von Modellen Vertrautheit von Modellen Produktivität von Modellen Bedeutsamkeit von Modellen Funktionen von Modellen Erklärungen durch Modelle Prognosendurch Modelle Lernen durch Modelle Klassifikation von Modellen Über die Natur der Naturwissenschaften lernen Über die Natur der Naturwissenschaften lernen Ziele und Inhalte Naturwissenschaften und Wirklichkeit Was sind Naturwissenschaften? Technik- und wissenschaftsethische Aspekte Standardmethoden der Naturwissenschaften Zur induktiven Methode Zur hypothetisch-deduktiven Methode Historische Beschreibungen naturwissenschaftlicher Theoriebildung Naturwissenschaftliche Revolution und Normalwiss enschaft Naturwissenschaften als historische Tradition Naturwissenschaften als abstrakte und historische Tradition Theoriebildung in der Physik Modellbildung im Physikunterricht Über Theoriebildung in der Physik Über Modellbildung im Physikunterricht Über die Bedeutung von Experimenten in der Physik und im Physikunterricht Ergänzende und weiterführende Literatur Stichwortverzeichnis...743