Physikunterricht und Physikdidaktik

Der Physikunterricht gehört zu den Standardfächern in der Stundentafel der Schule und reicht historisch bis in die Antike zurück.

Er beginnt in den meisten deutschen Bundesländern in der 7. Klasse und kann nach der 10. Klasse bis zum Abitur angewählt werden, auch als Prüfungsfach. Dafür hat die KMK 2020 Bildungsstandards im Fach Physik für die Allgemeine Hochschulreife erlassen, die die älteren EPA vollständig abgelöst haben. Daneben regulieren die Bildungsstandards (neue Fassung 2024) den Unterricht in allen Schulformen der Sek. I. Das Fach kann auch in Fächerverbünde integriert werden und wird dann mit anderen Naturwissenschaften zusammen von einem Lehrer unterrichtet (Fach Nawi), in diesem Fall zum Teil schon in der 5. Klasse.

Physikdidaktik ist Fachdidaktik für das Fach Physik, also die Lehre vom Lehren und Lernen physikalischer Inhalte im Physikunterricht. Da an Grundschulen in Deutschland noch nicht Physik, sondern zunächst ein überfachlicher Sachunterricht unterrichtet wird, beschäftigt sich Physikdidaktik im Wesentlichen mit dem Unterricht im sekundären Bildungsbereich. Daneben gibt es auch eine Hochschuldidaktik im Bereich der Physik. Physikdidaktik als Forschungs- und Lehrgebiet Verbreitung Physikdidaktik gibt es an allen Hochschulen in Deutschland und Österreich, an denen Fachlehrer für Physik ausgebildet werden. In den Lehramtsprüfungsordnungen der deutschen Bundesländer ist ein Anteil an Fachdidaktik (abhängig von der angestrebten Schulform oder Sekundarstufe) vorgesehen. Dennoch sind nicht überall Professuren für Physikdidaktik eingerichtet, dann übernehmen dies Kräfte aus dem Mittelbau.

Geschichte der Physikdidaktik Über die Unterrichtsgestaltung auch der Naturkunde haben sich bereits im 17. Jhdt. Johann Amos Comenius und im 19. Jhdt. Johann Friedrich Herbart Gedanken gemacht. Ein Meilenstein war die Gründung der Ingenieurhochschule Ecole polytechnique 1794 im Zuge der Französischen Revolution. Eine klar differenzierbare fachspezifische Didaktik entwickelte sich jedoch erst mit dem allgemeinen Aufschwung naturwissenschaftlichen Unterrichts zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Georg Kerschensteiner etwa schätzte den formalen Bildungswert der Naturwissenschaften und insbesondere der Physik, die in besonderer Weise dazu geeignet sei, die Beobachtungskraft, Denkkraft, Urteilskraft und Willenskraft zu fördern. (Kircher 2007, 17) Diese Vorstellung schlägt sich bis heute in der Forderung nieder, Physikunterricht solle nicht nur im Sinne der Wissenschaftspropädeutik Grundlagenwissen sowie Arbeitstechniken der Fachwissenschaft vermitteln, sondern auch zur „persönlichen Entfaltung und sozialer Verantwortung“ beitragen, (Richtlinien Physik, NRW, 2001). Dem Nationalsozialismus angepasste Physikdidaktiker in der Zeit des Nationalsozialismus und darüber hinaus waren die auch schulpolitisch tätigen Autoren Erich GüntherErich Günther: Physikalischer Arbeitsunterricht. In: F. Jungbluth (Hrsg.): Handbuch des Arbeitsunterrichts für Höhere Schulen. Heft 9: Mathematischer Arbeitsunterricht. Frankfurt am Main 1927, S. 90.Erich Günther: Handbuch für Wehrphysik. Frankfurt am Main 1936. und Karl Hahn, die instrumentalistisch an einer schulischen Wehrphysik arbeiteten.Karl Hahn: Unterrichtsblätter für Mathematiker und Naturwissenschaftler. Band 44, 1938, S. 132–152.Jörg Willer: Fachdidaktik im Dritten Reich am Beispiel der Physik. In: Medizinhistorische Mitteilungen. Zeitschrift für Wissenschaftsgeschichte und Fachprosaforschung. Band 34, 2015, ISBN 978-3-86888-118-9, S. 105–121. Nach 1945 musste der Physikunterricht von den politischen Zielen und Inhalten gesäubert werden, stattdessen rückten wieder naturwissenschaftliche Erkenntnis und Bildung in den Mittelpunkt. Ein Klassiker der Physikdidaktik wurde Martin Wagenschein, der ein Konzept des sokratisch-genetisch-exemplarischen Lehrens und Lernens im Bereich der Physik entwickelte, das an konkreten Phänomenen ansetzt und nicht auf Formelwissen der Physik angelegt ist.

Physikalisches Wissen als „vital benefit“ Während sich in Europa und insbesondere in Deutschland der oben formulierte humanistische Grundgedanke in der Physikdidaktik bis heute gehalten hat und letztlich auch der Forderung Klafkis, Physik müsse durch die Behandlung epochaltypischer Schlüsselprobleme einen Beitrag zu einer zeitgemäßen Allgemeinbildung leisten (Kircher, 2007, 21), zugrunde liegt, hat sich im angelsächsischen Sprachraum eine wesentlich pragmatischere Auffassung vom Wert naturwissenschaftlicher Bildung durchgesetzt. Als einflussreichster Vertreter dieser pragmatischen Schultheorie wird in Kircher (2007, 21) John Dewey genannt, der im Erwerb naturwissenschaftlichen Wissens vor allem einen vital benefit, also einen geradezu evolutionären Vorteil, im menschlichen Überlebenskampf sieht. Dieser abstrakte Grundgedanke schlägt sich gerade in den USA durch eine besondere Betonung des gesellschaftlichen und – mehr noch – des wirtschaftlichen und machtpolitischen Aspekts physikalisch-naturwissenschaftlicher Erkenntnis nieder, also auch des Nutzens für eine Wehrphysik.

In Deutschland rückte dieser instrumentalistische Charakter der Physik schon mit dem Sputnik-Schock wieder ab 1957 in den Blickpunkt der Physikdidaktik und entzündete eine Diskussion um die Gewichtung humanistischer und pragmatischer Aspekte der Physikdidaktik, wie sie der bis heute anhaltenden Diskussion um den angeblich verlorenen Lebensweltbezug des aktuellen Physikunterrichts zugrunde liegt. (vgl. Ergebnisse und Implikationen für den Physikunterricht)

Forschungs- und Lehrgebiete innerhalb der Physikdidaktik Innerhalb der Physikdidaktik gibt es verschiedene Ausrichtungen: Der Fokus kann liegen auf die Struktur einer Unterrichtsstunde, bis heute geprägt vom klassischen Unterrichtsaufbau des naturwissenschaftlichen Unterrichts nach Heinrich Roth. Es gibt noch weitere, jedoch ähnlich strukturierte Verfahren. den Aufbau des Physikkurses. Bei der Abwägung zwischen einem vollständigen systematischen Themenkanon und dem exemplarischen Lernen hat sich praktisch Martin Wagenscheins Position vollständig durchgesetzt. Abstraktion versus Phänomenologie und Kontextbezug. Hier fand eine Umorientierung zu der von Heinz Muckenfuß propagierten Kontextorientierung statt, auch hier ist Wagenscheins Einfluss deutlich zu erkennen.

Ergebnisse und Implikationen für den Physikunterricht Die Ergebnisse physikdidaktischer Forschung, insbesondere der Umorientierung hin zur Kontextorientierung, sind für den schulischen Physikunterricht von hoher Bedeutung. Wichtige allgemeine Richtziele für den Physikunterricht aus Sicht der Fachdidaktik sind: Loslösen von der Fachwissenschaft in Bezug auf Unterrichtsstruktur und die Kriterien bei der Wahl von relevanten Inhalten Mut zur Interdisziplinarität und zu interdisziplinärem Unterricht Thematisieren des Verhältnisses zwischen Mensch und Naturwissenschaft – etwa am Beispiel der ökonomischen Bedeutung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse für den menschlichen Alltag Einbringen wissenschaftskritischer Aspekte in den Unterricht Verdeutlichen der Grenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnis Vermittlung wissenschaftspropädeutischer Grundbildung im Sinne der Bildungsstandards (prozedurales und inhaltliches Grundlagenwissen, selbständiges Lernen und Arbeiten, Reflexions- und Urteilsfähigkeit, Einstellungen und Verhaltensweisen wissenschaftlichen Arbeitens)

Im Folgenden werden ausgewählte, im Hinblick auf die genannten Richtziele relevanten Aspekte der Physikdidaktik und ihre Implikationen auf den Unterricht genauer erläutert.

Drei Dimensionen des Physikunterrichts Bei der Planung, Umsetzung und Evaluation von Physikunterricht muss der Physiklehrer stets folgende drei Dimensionen berücksichtigen: die fachliche Dimension, die die physikalisch/wissenschaftlichen Unterrichtsinhalte umfasst. die pädagogische Dimension, die bei den Lernern die Hemmnisse (Verständnisbarrieren, methodische Zugänge) bei der Vermittlung physikalischer Inhalte berücksichtigt. die gesellschaftliche Dimension, die Physik als eine Form der Weltbetrachtung und -beschreibung im Rahmen der gesellschaftlichen Lebenswelt der Schüler relativiert und wechselseitige Bezüge herstellt.

Kircher vergleicht diese Dimensionen mit den drei Brillen, die ein Physiklehrer tragen sollte. Dabei unterstreicht er die vorrangige Stellung der pädagogischen Brille und greift damit das bereits von Wagenschein skizzierte Modell einer subjektorientierten Physikdidaktik auf, in der im Allgemeinen nicht die Physik, sondern die Lernende (Schüler) den Ausgangspunkt didaktischer Unterrichtsplanung darstellt.

Die anspruchsvolle Aufgabe des Lehrers ist es, durch genaue, auf die Schüler abgestimmte Unterrichtsplanung und den Einsatz geeigneter Methoden, die Schüler dabei zu unterstützen, fachwissenschaftliche Kenntnisse aus lebensweltlichen Kontexten heraus zu gewinnen.

Physikunterricht als Perspektivwechsel Die von Muckenfuß eingeforderte Kontextorientierung des Physikunterrichts impliziert, dass dieser bisher vom Alltag (der Lebenswelt) der Schüler viel zu weit entfernt war. Schüler beklagen, nur „für die Schule zu lernen“, „das [Physik] eh nie wieder“ zu brauchen und beschließen allzu häufig resignierend „Physik verstehe ich eh nicht!“.

Ein entscheidendes Problem ist die von JungWalter Jung: Aufsätze zur Didaktik der Physik und Wissenschaftstheorie. Frankfurt: Diesterweg 1979. ISBN 9783425070292. und anderen Physikdidaktikern beobachtete Unvereinbarkeit der alltäglichen mit der physikalischen Wahrnehmung der Welt. Selbstverständliche Tatsachen des Alltags, etwa dass eine Feder „natürlich“ langsamer zu Boden gleitet als ein Stein, werden in der Physik scheinbar sinnlos hinterfragt. Es wird gar behauptet und mit Hilfe allerlei technischer Apparate im Physikunterricht „bewiesen“, dass „in Wirklichkeit“ alle Körper gleich schnell fallen. Dieser Einsatz von technischen Hilfsmitteln zur Erschaffung einer künstlichen Wirklichkeit, die dann auch noch wahrer sein soll als die von den Schülern alltäglich erlebte Realität, muss diesen wie eine Bevormundung erscheinen. Dass sich da schnell Ungläubigkeit, Unwillen und Resignation breit machen, ist verständlich.

Der Physikunterricht sollte die Inkommensurabilität der zwei Weltbilder anerkennen und aufgreifen, indem er den Schülern Physik als eine alternative Perspektive auf die Welt vermittelt. Dazu müssen Physiklehrer den Schülern Gelegenheiten bieten, einen solchen Perspektivwechsel aktiv zu vollziehen und dabei auftretende Probleme und Widersprüche sowie den Prozess als solchen im Unterricht thematisieren. Das Ziel dabei ist, dass sich die Schüler auf das physikalische Weltbild als eine begründete Sicht der Dinge einlassen – oder in den auch bei Schlichting bemühten Worten C. F. von Weizsäckers „die Dinge so zu beschreiben, wie wir sie nicht erfahren“.H. Joachim Schlichting: Zwischen common sense und physikalischer Theorie – wissenschaftstheoretische Probleme beim Physiklernen. (PDF; 96 kB) In: Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht, 44/2, 74 (1991)

Exemplarischer Unterricht Exemplarischer Unterricht, wie Wagenschein es 1969 formulierte, sucht „das Einzelne im Ganzen“. Anstelle zu versuchen, den vom Curriculum vorgeschriebenen, von vielen Fachdidaktikern für viel zu umfangreich erachteten Stoffkanon nach dem Modell des „Nürnberger Trichters“ in Lehrer-zentriertem Frontalunterricht in die Köpfe der Schüler „einzutrichtern“, sollte der Lehrer didaktisch relevante Inhalte auswählen und die Schüler dabei unterstützen, diese möglichst selbständig gründlich zu erarbeiten und zu verstehen.