5. – 13. Schuljahr

Daniel Laumann, Philipp Wichtrup und Gunnar Friege

Zwei Schlüssel zur Physik

Reale Experimente und digitale Medien als Schlüssel zu physikalischen Inhalten

Das Experiment und das Experimentieren besitzen im heutigen Physikunterricht einen hohen Stellenwert: Etwa zwei Drittel der Unterrichtszeit werden für das Experimentieren und die Einbettung von Experimenten in den Unterrichtsgang genutzt (vgl. [1]). Die Bemühungen um experimentelle Aufgaben in Abiturprüfungen (und deren Rückwirkungen auf den Oberstufenunterricht; s. z.B. [2]) oder um die Bewertung experimenteller Fähigkeiten (s. z.B. [3]) spiegeln ebenfalls die Bedeutung von Experimenten im Physikunterricht. Und auch diese Zeitschrift widmet sich fast in jeder Ausgabe experimentellen Zugängen und beleuchtet regelmäßig ausführlich Aspekte des Experimentierens im Unterricht (vgl. z.B. UP47 „Schulgeräte mit neuen Messgeräten, UP57 „Experimentieren mit einfachen Mitteln, UP71/72 „Experimente als Lernerfolgskontrolle oder UP144 „Experimentieren gestalten).
Die Rolle des Experiments im Unterricht hat sich im Laufe der Zeit von einer „Kreide- und Schwammphysik mit seltenen, aber mathematisch gut auswertbaren Experimenten Anfang des 19. Jahrhunderts bis zu systematischen Schülerübungen Anfang des 20. Jahrhunderts verändert (s. dazu den historischen Überblick [4]). Auch heute noch sind Änderungen im schulischen Experimentieren durch neue Messmethoden, Geräte und deren Verfügbarkeit sowie aufgrund der Unterstützung durch unterschiedliche digitale Medien zu beobachten.
Allerdings ist das Experimentieren im Unterricht – entgegen der verbreiteten Erwartung – nicht stets lernwirksam und motivierend, wie die Aussage „Lernen durch Experimentieren [ist] keinesfalls ein Selbstgänger [5], S. 813) gut beschreibt. Euler führt hier in [5] (S. 813; bezugnehmend u.a. auf [6]) eine Reihe von Desiderata auf.
Schlüsselexperimente für den Physikunterricht
Die Anzahl der möglichen Experimente im Physikunterricht ist riesig, und jede erfahrene Physiklehrkraft führt eine Vielzahl von unterschiedlichen Experimenten innerhalb eines Schuljahres durch. Gibt es hier einen Kanon von Experimenten, die als besonders wichtig gelten, und was sind die Auswahlkriterien?
In diesem Heft werden „Schlüsselexperimente für den Physikunterricht beschrieben. Diese sind nicht unbedingt deckungsgleich mit „Schlüsselexperimenten im Fach Physik (s. dazu Kasten 1), auch wenn der Wunsch nach „schlagartiger Erkenntnis bei den Lernenden durch ein Unterrichtsexperiment nachvollziehbar ist.
Kasten 1: Schlüsselexperimente in der Physik
Kasten 1: Schlüsselexperimente in der Physik
Der Begriff Schlüsselexperimente hat in der Physik oft die Bedeutung eines experimentum crucis, also eines Experiments, das zwischen zwei Hypothesen entscheidet. Ob ein einzelnes Experiment überhaupt dazu in der Lage ist, eine physikalische Theorie zu falsifizieren oder zu verifizieren, ist Gegenstand der Wissenschaftstheorie.
In der Physik war es im 16. Jahrhundert Newton, der einen seiner optischen Versuche als experimentum crucis bezeichnete: Sonnenlicht wird dabei durch Prisma 1 in Spektralfarben zerlegt (s. Abb. 1 ). Wird das Lichtbündel einer Spektralfarbe selektiert, zeigt Prisma 2, dass das selektierte Lichtbündel nicht weiter zerlegt werden kann (vgl. [7], S. 280). Als weiteres Beispiel für ein experimentum crucis findet sich in [7] das Experiment zur Natur der Kathodenstrahlen im 19. Jahrhundert: Die Entscheidung zwischen Teilchenstrahlen negativer Ladung oder „einer besonderen Form elektromagnetischer Wellen ([7], S. 278) zeigten Hertz und Mitarbeiter mit einem Versuch. Dieser fiel zu Gunsten der Interpretation von Kathodenstrahlen als elektromagnetischen Wellen aus, die sich jedoch im Nachhinein als nicht geeignet herausstellte [7].
Exklusiv im Sinne der historischen Bedeutung ist die Verwendung des Begriffs „Schlüsselexperiment nicht. In [8] wird der Begriff in der erweiterten...

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