DUDEN PAETEC Fortbildungstage Brandenburg 2006

Physik in der gymnasialen Oberstufe vom Kerncurriculum zum kompetenzorientierten Unterricht

Björn Mai, Leibniz – Gymnasium Potsdam

Gliederung / Ablauf • Grundaussagen zum KC • Struktur des KC (Gliederung) mit kurzen Ausschnitten • Rolle von Standards • Kompetenzorientierte Unterrichtsplanung und -gestaltung • Neue Aufgabenkultur, Aufgabentypen • Empfehlungen zur Erstellung schuleigener Pläne

1. Grundaussagen zum KC Das Kerncurriculum Physik … setzt einen neuen Rahmen für die Lern- und Lehrprozesse in der Qualifikationsphase im Fach Physik, wobei der Fokus auf der Kompetenzentwicklung der Lernenden liegt und nicht auf einer einseitig - inhaltsorientierten Unterrichtsgestaltung, beschreibt mit Hilfe von Abschlussstandards für den Grundund Leistungskurs, welchen Stand der Kompetenzentwicklung die Lernenden am Ende der Qualifikationsphase erreicht haben sollen, bietet die Möglichkeit der Schaffung einer neuen Lernkultur an den Schulen, die gekennzeichnet ist durch ein Mehr an selbstständiger Schülertätigkeit und ein Weniger an lehrerzentriertem Unterricht,

(Fortsetzung) Das Kerncurriculum Physik … … schafft die Voraussetzungen für die Entwicklung einer neuen Aufgabenkultur in den Schulen, unterstützt und erfordert eine stärkere Zusammenarbeit der Lehrkräfte - auch über das Fach Physik und die eigene Schule hinaus, stellt höhere Anforderungen an die Planungstätigkeit der Physikfachkonferenzen und der einzelnen Lehrkraft und bietet gleichzeitig mehr Freiraum bei der Wahl der Unterrichtskontexte und Wahlthemen.

2. Struktur des Kerncurriculums (KC) 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1 2.2 3 3.1 3.2 4 4.1 4.2 4.3 5 5.1 5.2

Bildung und Erziehung in der Qualifikationsphase der gymnasialen Oberstufe Grundsätze Lernen und Unterricht Leistungsfeststellung und Leistungsbewertung Beitrag des Faches zum Kompetenzerwerb Fachprofil Fachbezogene Kompetenzen Eingangsvoraussetzungen und abschlussorientierte Standards Eingangsvoraussetzungen Abschlussorientierte Standards Kompetenzen und Inhalte Felder Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Quantenobjekte und Struktur der Materie Kurshalbjahre Grundkursfach Leistungskursfach

Ausschnitte aus dem Kerncurriculum 3.2 Abschlussorientierte Standards

• • •

3.2 Abschlussorientierte Standards (Fortsetzung)

• • •

3.2 Abschlussorientierte Standards (Fortsetzung)

3.2 Abschlussorientierte Standards (Fortsetzung)

4. Kompetenzen und Inhalte

Ergänzungen zu Kapitel 4 sind notwendig

3. Rolle von Standards, Kompetenzen, Inhalte Bildungsstandards (KMK) ... sind zu vermittelnde Standards. Standards sind normative Vorgaben für die Erreichung bestimmter Ziele. Das Neue:  Bisher wurden in Lehrplänen vorrangig Ziele für Lernprozesse beschrieben. „INPUT- orientiert“ 

Bildungsstandards legen fest, welche Kompetenzen die Schülerinnen und Schüler bis zu einer bestimmten Jahrgangsstufe erworben haben müssen. „OUTPUT – orientiert“

Rahmen(lehr)pläne contra Kerncurricula? Rahmen(lehr)plan

Kerncurriculum

• beschreibt Ziele des Lernens

• beschreibt einen angestrebten Stand der Kompetenzentwicklung nach einem Unterrichtsabschnitt

• verwendet zumeist die Kategorien Wissen und Können • ist inputorientiert (beschreibt das, was im Unterricht behandelt werden soll)

• verwendet zur Beschreibung der Standards Kompetenzmodelle, wobei die Arten und Stufungen sehr verschiedenartig sein können. • ist outputorientiert (gibt an, was die Lernenden am Ende eines Unterrichtsabschnittes beherrschen sollen)

• Stoffverteilung steht häufig im Vordergrund • Es wird angegeben, welche Inhalte behandelt werden.

• Kompetenzentwicklung steht im Vordergrund • Standards werden weitgehend unabhängig von Inhalten formuliert.

4. Kompetenzorientierte Unterrichtsplanung und -gestaltng

Grundsätzlich bedeutet das im Fach Physik, dass die Lernenden in der Lage sein sollen 1. mit physikalischem Wissen souverän umzugehen (Fachwissen), 1. mit Methoden der Physik Erkenntnisse zu gewinnen (Erkenntnisgewinnung), • aktiv und souverän zu kommunizieren (Kommunikation), 1. physikalische Sachverhalte zu bewerten (Reflexion).

Eine geeignete Reihenfolge der fachlichen Inhalte ergibt sich vor allem • aus der Sachstruktur der Physik und • aus ihrer Stellung innerhalb eines Kontextes.

Kontexte ?  greifen in möglichst hohem Maße die Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler auf  bieten Möglichkeiten, geeignete Fragestellungen zu entwickeln, anhand derer die Inhalte für die Schülerinnen und Schüler bedeutsam werden können

Zugangsweise, mit deren Hilfe die zu entwickelnden Kompetenzen angeeignet werden können

Kontexte sollten Leitgedanken physikalischer und aspektbezogener Arbeit aufgreifen, wie zum Beispiel: • Erhaltungssätze der Physik, • Energieumwandlung – Energieentwertung, • Physik und Technik, • Handlungsorientierung durch Projektarbeit, • Bezüge zum aktuellen Geschehen, • Physik und Philosophie.

Sachstruktur der Physik

Sachstruktur des Unterrichts Kontext

Konstruktion der Sachstruktur

Elementarisierung Elementare Inhalte und Konzepte

Ziele der Kompetenzentwicklung

Vorstellungen und Interessen der Lernenden

Kompetenzentwicklung

Inhaltsbaustein 6

Inhaltsbaustein 7 Kontext c

Inhaltsbaustein 5 Inhaltsbaustein 4 Kontext b

Inhaltsbaustein 3 Kontext a

Inhaltsbaustein 1

Inhaltsbaustein 2

Beispiel zu a: Kontext a:

Physik als Grundlage der Technik,technische Anwendungen, z.B.: Massenspektroskopie

Inhaltsbaustein 1: Ladungsträger in elektrischen Feldern

Inhaltsbaustein 2: Ladungsträger in Magnetfeldern

Massenspektroskopie

Aufgabe • Analyse der Masse von Atomen, Molekülen oder Atom-Clustern

Voraussetzungen • Vakuum innerhalb der Apparatur • Ionisierung von Teilchen • Beschleunigung und Ablenkung der Ionen im elektrischen und magnetischen Feld

Versuchsaufbau Fotos: • Ionenquelle • Helmholtzspulen • Massenspektrograf

Ionenquelle

Helmholtzspulen

Auswertung A = G ⋅ B2

4 m 3 G = 2,78 ⋅ 10 2 2 V s

A - relative Atommasse

G - Apparatkonstante

• Fläche unter dem Graphen entspricht der Teilchenanzahl • Durch vergleichen von „A“ mit der relativen Atommasse im PSE lassen sich Schlussfolgerungen über die Art der Teilchen ziehen

Auswertung I / nA 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

7

6

9 8

5

10

4

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Wasserstoff (Atomar) Stickstoff (Atomar) Stickstoff (Atomar) Sauerstoff (Atomar) / Methan Sauerstoff (Atomar) / Methan Hydroxid-ionen Hydroxid-ionen Wasser Wasser Neon Stickstoff (Molekular) Stickmonoxid / Ethan Sauerstoff (Molekular) Kohlendioxid

11 12 13

3 2

1

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

0,8

0,9

1

1,1

14 1,2

1,3

1,4

B / 100 mT

Beispiel zu c: Kontext:

Physik als Grundlage der Technik, die Leuchtstofflampe (PdN-PhiS. 1/55. JG.2006 StD H. Pientka)

Inhaltsbaustein 1: Selbstinduktion, Induktivität Inhaltsbaustein 2: Emissionssspektren Inhaltsbaustein 3: Franck-Hertz-Versuch (Inhaltsbaustein 4: Elemente der Wechselstromlehre)

5. Neue Aufgabenkultur, Aufgabentypen  Die Veränderung der Aufgabenkultur ist das effektivste Mittel, um die Inhalte und Methoden des Physikunterrichts zu reformieren. Das Aufgabenlösen ist aus seiner bisher randständigen Position stärker in die Mitte des Unterrichts zu rücken.  Bei der Ausarbeitung und bei der Beschäftigung mit Aufgaben sind die zu erreichenden Standards im Auge zu halten.

Was ist unter „Weiterentwicklung der Aufgabenkultur“ im Physikunterricht zu verstehen? Thesen: (1) Die neue Aufgabenkultur besteht nicht nur in der Entwicklung von differenzierten Aufgabenstellungen, sondern auch in der Form ihrer unterrichtlichen Einbettung (Bearbeitung). Es sind solche unterrichtsmethodische Maßnahmen in den Vordergrund zu stellen, die bei der Beschäftigung mit Aufgaben Kooperation, Eigenverantwortung (offene Aufgaben) und Selbstvertrauen fördern. (2) Es sind Aufgaben zu entwickeln und zu erproben, die mehrere Zugangsweisen und Lösungswege zulassen und zu einer Flexibilisierung des Wissens beitragen. (3) Die Übungspraxis sollte dahingehend geändert werden, dass abwechslungsreiche Anwendungsaufgaben in variierenden Kontexten (lebensweltorientiernde Aufgabenstellungen, um eine Konsolidierung des Wissens zu erreichen. (4) Es sind Aufgaben zu entwickeln und zu erproben, in denen länger zurückliegender Unterrichtsstoff systematisch wiederholt und mit dem neuen Stoff verknüpft wird. Das verlangt eine intensivere Vernetzung der Themen und Stoffe untereinander. Häußler, Lind (IPN, Kiel) BLK-Programmförderung „Steigerung der Effizienz des math-naturwiss. Unterrichts

Zielstellungen von Aufgaben, Arbeitsaufträge

         

Unterstützung Durchführung von Lernerfolgskontrollen

des Lernprozesses

1. Aufgaben, die alltagsgebundene Fehlvorstellungen bzw. Erfahrungen thematisieren und überwinden helfen.  

  2. Aufgaben, die dem Aufbau von Routinen dienen.  

3. Aufgaben zum Festigen und Vernetzen von Lerninhalten.  

4. Problemorientierte Aufgaben mit verschiedenen Lösungswegen und Aufgaben, die eine motivierende Einbettung in den Unterricht ermöglichen.  

Lernaufgaben

Aufgabenset

Lernende können selbstständig in Gruppen ein Teilgebiet des Themenfeldes erschließen und erarbeiten

Vorteile einer derartigen Aufgabenstruktur:  Die Lernaufgaben werden in der Fachgruppe abgestimmt.

 Ein Austausch über die Erfahrungen mit einer Lernaufgabe führt langfristig an einer Schule zu einem Repertoire an guten Lernaufgaben.  Die Unterrichtsqualität hängt stärker von der Qualität der Aufgabe ab als von der der Lehrperson. Sie übernimmt weitgehend die Rolle eines Lernberaters.  Die Eigentätigkeit der Lernenden wird bewusst gefördert.  Die Eigenverantwortung und das Selbstvertrauen werden gefördert.  Länger zurückliegende Lerninhalte können systematisch in den Unterricht integriert werden, so dass sie sich harmonisch in die Erarbeitung, Konsolidierung und Übung der neuen Inhalte einfügen. Das verlangt eine intensivere Vernetzung der Inhalte.  Das Verantwortungsbewusstsein der Lernenden für den eigenen Lernprozess wird gestärkt.

Selbständiges Arbeiten

Schlafverbot

Passivität oder

Aktivität

Beispiele für Aufgabentypen Lernaufgaben Fotoeffekt Elektromagnetische Schwingungen  Begriffsnetz (Concept-Map ) Kinematik und Dynamik der Rotation

Experimentelle Aufgaben Beschleunigungsvorgang bei einem CD - Player

Lernaufgabe zum Fotoeffekt Für die Bearbeitung dieser Aufgabe werden Zweiergruppen gebildet. Sie erarbeiten selbstständig dieses Thema. Als Hilfsmittel stehen Ihnen Schulbücher, Experimente, die an Arbeitsplätzen vorbereitet sind, sowie Rechner mit Internetzugang zur Verfügung. Die Reihenfolge der Aufgaben wurde aus der Sachstruktur des Themas abgeleitet. Fragen und Aufgaben: 1) Welche Erscheinung wird als lichtelektrischer Effekt bezeichnet? 2) Informieren Sie sich über den Aufbau einer Fotozelle und erläutern Sie die Entstehung eines Fotostromes für das in Abbildung 1 dargestellte Experiment! Ringanode Abbildung 1

Katode

Lichtquelle

A

Lernaufgabe zum Fotoeffekt (Fortsetzung) 3) Bilden Sie eine Hypothese zu folgender Fragestellung: Was passiert mit dem Fotostrom bzw. der Fotostromstärke, wenn a) die Bestrahlung unterbrochen und wieder freigegeben wird, b) der Abstand zwischen beleuchteter Fotozelle und Lichtquelle (monochromatisch) verkleinert wird? (Hinweis: Gehen Sie auf die Lichtintensität ein.) 4) Führen Sie das Experiment mit den zu Verfügung gestellten Materialien (Arbeitsplatz 1, Abbildung 2) durch und überprüfen Sie ihre Hypothese!

Abbildung 2

Lernaufgabe zum Fotoeffekt (Fortsetzung) 5) Mithilfe der Gegenfeldmethode kann man experimentell untersuchen, wie die kinetische Energie der Elektronen von der Frequenz des verwendeten Lichtes abhängt. Nutzen Sie zur Bearbeitung der folgenden Aufgaben die zur Verfügung gestellte Literatur und das Internet. a) Erklären Sie, wie die angelegte Gegenspannung und die maximale kinetische Energie der herausgelösten Elektronen zusammenhängen! Kennzeichnen Sie diesen Sachverhalt auch durch eine physikalische Größengleichung. b) Entwerfen Sie ein Schaltbild für die Gegenfeldmethode unter Verwendung einer Batterie als Gegenspannungsquelle. c) Beschreiben Sie die Durchführung des Experiments! Gehen Sie dabei auf die einzelnen Bauteile des Schaltbildes ein und auf die Möglichkeiten Licht verschiedener, wohlüberlegter Frequenzen zu nutzen.

Lernaufgabe zum Fotoeffekt (Fortsetzung) 6) Die Ergebnisse eines real ablaufenden Experiments zur quantitativen Bestimmung der Abhängigkeit der kinetischen Energie der Elektronen von der Frequenz des Lichtes sollen durch eine Simulation aufgezeigt werden. a) Führen Sie das Simulationsexperiment am Computer durch! b) Notieren Sie für die Katodenmaterialien Cäsium und Natrium, in dazugehörigen Messwertetabellen, Lichtfarbe, Wellenlänge, Frequenz, Gegenspannung und die kinetische Energie der Fotoelektronen. c) Stellen Sie die Abhängigkeit der kinetischen Energie der Fotoelektronen von der Frequenz des eingestrahlten Lichtes für beide Materialien grafisch dar! 7) Beschreiben Sie durch eine physikalische Größengleichung den Verlauf der Graphen aus Aufgabe 6c ! (Hinweis: Nutzen Sie dazu die Werte aus dem Simulationsexperiment.)

Lernaufgabe zum Fotoeffekt (Fortsetzung) 8) Eine physikalische Deutung des äußeren lichtelektrischen Effekts gab Albert Einstein im Jahre 1905 durch die Anwendung der Quantenhypothese auf das Licht. Geben Sie die wesentlichen Gedanken wieder! Nutzen Sie die zur Verfügung gestellte Literatur und das Internet. 9) Wie sind die beiden Achsenschnittpunkte der EINSTEIN – Geraden physikalisch zu deuten? 10) Beschreiben Sie die Vorgänge beim Auslösen von Elektronen mit Hilfe der Begriffe Energie des Lichtquants, Ablösearbeit und kinetische Energie der Fotoelektronen. 11) Überprüfen Sie erneut ihre unter 3) aufgestellte Hypothese! Überarbeiten Sie diese gegebenfalls. 12) Welche Ergebnisse des Fotoeffekts lassen sich nicht mithilfe des Wellenmodells erklären? Begründen Sie ihre Entscheidungen!

Lernaufgabe zum Fotoeffekt (Fortsetzung) 13) Eine geladene Zinkplatte, die mit einem Eletroskop verbunden ist, wird mit Licht bestrahlt. a) Führen Sie die Experimente mit den zur Verfügung gestellten Geräten (Arbeitsplatz 2, Abb.3) laut der Vorgaben der Tabelle durch! b) Notieren Sie Ihre Beobachtungen!  

Positiv geladene Platte

Negativ geladene Platte

Negativ geladene Platte mit Glasscheibe

Quecksilberda mpf-lampe oder UV - Lampe

 

 

 

Glühlampe

 

 

 

Abb.3

c) Erklären Sie die Ergebnisse Ihrer Beobachtungen mithilfe eines geeigneten Modells!

Lernaufgabe zum Fotoeffekt (Fortsetzung) 14) Eine Fotokatode der Fläche von A = 1 cm2 und der Ablösearbeit WA = 1,90 eV wird mit Licht der Wellenlänge λ = 436 nm und der Bestrahlungsstärke P = 2,0 W·m-2 beleuchtet. a) Wie groß ist die maximale Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen? b) Welche Gegenspannung UG ist erforderlich? c) Berechnen Sie die Zahl der pro Sekunde auftreffenden Photonen! d) Berechnen Sie die maximale Fotostromstärke! 15) Was ändert sich an den Ergebnissen der Aufgabe 14 , wenn a) die Bestrahlungsstärke verdoppelt wird? b) die Wellenlänge halbiert wird? c) ein Katodenmaterial mit doppelter Ablösearbeit verwendet wird?

Lernaufgabe zum Fotoeffekt (Fortsetzung)

6. Entwicklung schuleigener Lehrpläne: Schwerpunktsetzunge n für das Zentralabitur

EPA Kerncurriculum

Handreichungen

schuleigener Lehrplan

EPA Kerncurriculum

Schuleigener

Schwerpunktsetzungen für die zentrale Abiturprüfung? Zu beachten: • die Interessenlage der Schülerinnen und Schüler, • das Ausgangsniveau der Schülerinnen und Schüler, • die soziale Lage und die kulturellen Eigenheiten der Schülerinnen und Schüler, • die Besonderheiten des Schulstandortes, • die Leitideen und die Kernaussagen des Schulprogramms, Anliegen, Wünsche, Ziele aus den Mitwirkungsgremien der Schule, • die besonderen Fähigkeiten der Lehrkräfte, • die Angebote möglicher Schulpartner (Institutionen, Firmen, Eltern, ...), • der Gestaltungsspielraum hinsichtlich der Stundentafel (Teilungsstunden, Förderstunden, Kontingentstundentafel?), • die Ausstattung der Schule, insbesondere die physiklehrmittelausstattung aber auch die Computerausstattung betreffend.

Lehrplan

Unterrichtsvorbereitung der Lehrkraft

Zu welchen Aspekten sollte ein schuleigener Plan Aussagen treffen? Schuleigene Pläne sollten auf folgende Fragen Antworten geben:   •

Welche weiteren inhaltlichen Schwerpunkte werden neben den verbindlichen Kerninhalte gesetzt, welche Vertiefungsmöglichkeiten sollen genutzt werden und in welcher Reihenfolge werden die Inhalte angeordnet?

•

Mit welchen Kontexten sollen die im Kerncurriculum Physik ausgewiesenen Abschlussstandards im Unterricht erworben werden?

•

Welche Schüler- und Demonstrationsexperimente sollen durchgeführt werden?

•

Welche Festlegungen werden hinsichtlich des Einsatzes von Medien vereinbart? Neben der Auswahl eines geeigneten Lehrbuchs sowie gegebenenfalls weiterer Arbeitsmaterialien für das Fach Physik zählt hierzu auch, wie die im Kerncurriculum Physik bezüglich des Computereinsatzes beschriebenen Anforderungen umgesetzt werden. Der Computereinsatz sollte inhaltlich sowie zeitlich und organisatorisch über das Fach hinaus im Rahmen eines Medienkonzeptes geregelt sein.

•

Mit welchen Aufgaben kann die Erreichung der im Kerncurriculum ausgewiesenen Abschlussstandards im Unterricht geprüft werden? Welche Anforderungen sind an Lernaufgaben zu stellen?

Fortsetzung 

Schuleigene Pläne sollten auf folgende Fragen Antworten geben:   •

Welche Unterrichtsprojekte über das Fach Physik hinaus sind gemeinsam mit anderen Unterrichtsfächern geplant und wie sollen diese durchgeführt werden?

•

Wie können Wandertage bzw. Exkursionen zur Kompetenzentwicklung im Rahmen des Physikunterrichts beitragen?

•

Welche Absprachen über die Verfügbarkeit von Kompetenzen aus anderen Fächern sind erforderlich?

•

Wie können leistungsstarke und leistungsschwache Schülerinnen und Schüler im Fach Physik erkannt, beraten und differenziert gefördert werden?

•

Wie sollen Leistungen im Physikunterricht beurteilt und bewertet werden?

•

Wie soll der schuleigene Plan evaluiert werden? Es sollte vereinbart werden, in welchen Abständen und mit welcher Verfahrensweise der schuleigene Plan überarbeitet wird.