5. – 13. Schuljahr

Knut Neumann

Energieverständnis entwickeln

Physikdidaktische Erkenntnisse und Implikationen für die Unterrichtspraxis

Die zentrale Bedeutung der Energie in der Physik steht im Gegensatz zu den Schwierigkeiten, die Schülerinnen und Schüler mit dem Verständnis von Energie haben. Insbesondere der so wichtige Aspekt der Energieerhaltung bereitet den Schülerinnen und Schülern Probleme. Nur etwa ein Drittel aller Schülerinnen und Schüler erreicht zum Ende der Schulzeit ein Verständnis von Energie, das die Erhaltung der Energie einschließt. Dies überrascht nicht, wenn man bedenkt, dass das Prinzip der Energieerhaltung den Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler widerspricht. Warum bleibt das Fahrrad stehen, wenn man aufhört zu treten? Warum muss das Handy regelmäßig wieder aufgeladen werden? Warum, wenn nicht, weil Energie verbraucht wird? Dieser Beitrag fasst die Erkenntnisse der Fachdidaktik zur Entwicklung des Energieverständnisses zusammen und zeigt, welche Folgerungen sich daraus für den Physikunterricht ergeben.
Entwicklung des Energieverständnisses
Das Verständnis von Energie, das Schülerinnen und Schüler am Ende der Schulzeit erworben haben sollten, lässt sich wie folgt charakterisieren: ein Verständnis der Erhaltung inmitten des Wechsels von Erscheinungsformen und -orten bei gleichzeitiger Abnahme der Nutzbarkeit durch Entwertung [1]. Wie sich ein solches Verständnis entwickelt, wurde intensiv erforscht. Dabei zeigt sich zunächst, dass Schülerinnen und Schüler mit zahlreichen und vielfältigen Alltagsvorstellungen von Energie in die Schule kommen. Manche assoziieren Energie mit menschlicher Aktivität („Ich habe heute viel Energie!), andere verstehen Energie als einen universellen Treibstoff („Ich lade mein Handy mit Solarenergie!) [2].
Zudem erreichen Schülerinnen und Schüler im Unterricht scheinbar leicht ein Verständnis von Energieformen. Sie können Phänomenen oder Prozessen Energieformen zuordnen und einen Zusammenhang zwischen beobachtbaren Größen (z.B. der Dehnung eines Gummibands) und Energieformen (z.B. der Spannenergie) herstellen. Allerdings fällt es ihnen oft schwer, Phänomen und Energieform konzeptuell zu trennen: Bewegung ist eben nicht Energie, sondern in der Bewegung steckt Energie. Es folgt das Verständnis von Energieumwandlung und -übertragung. Die Lernenden erkennen, dass die Abnahme von Energie in einer Form oder an einem Ort immer mit der Zunahme von Energie in einer anderen Form oder an einem anderen Ort einhergeht. Damit verknüpft ist die Erkenntnis, dass bei jedem (realen) Prozess immer auch ein Teil der Energie in thermische Energie der Umgebung umgewandelt wird und für eine weitere Nutzung nicht zur Verfügung steht (Energieentwertung). Am schwersten fällt es Schülerinnen und Schülern, wenn dies überhaupt gelingt, die Energieerhaltung zu verstehen [3]. Die Mehrheit der Schülerinnen und Schüler kann das Prinzip der Energieerhaltung am Ende der Schulzeit wiedergeben, es aber nicht zur Erklärung von Phänomenen oder zur Lösung von Problemen einsetzen (s. dazu das Beispiel im Beitrag von Ludemann und Kraus).
Energieverständnis entwickeln
Die oben skizzierten Befunde legen nahe, das Energieverständnis im Unterricht ausgehend von den Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler nach und nach entlang der Schritte Energieformen, Energieumwandlung und -übertragung, Energieentwertung und Energieerhaltung zu entwickeln [4]. Wie dies aussehen könnte, wird im Folgenden skizziert.
Von Alltagsvorstellungen zu Formen
Die Einführung des Energiekonzepts im Physikunterricht ist gleich mit mehreren Herausforderungen verbunden. Die erste Herausforderung ist es, eine für Schülerinnen und Schüler angemessene und nachvollziehbare Antwort auf die Frage zu finden, was Energie eigentlich ist. Hier hat es sich bewährt, Energie als die Fähigkeit, Veränderungen hervorzurufen, einzuführen (z.B. als die Fähigkeit, ein Stück Knete zu verformen, s. [5]).
Die zweite Herausforderung...

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