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Physik

1 Selbstverständnis des Faches Physik und sein Beitrag zur Bildung

In der Physik werden Naturphänomene sowie der Aufbau und die Eigenschaften der Materie modellhaft beschrieben. Ihre aktuellen Forschungsinhalte reichen von den elementaren Bausteinen der Materie bis hin zum Aufbau des Universums. Physikalische Forschung ist durch das Wechselspiel von Theorie und Experiment gekennzeichnet, ihre Ergebnisse und Arbeitsmethoden sind wegweisend für andere Naturwissenschaften. Physikalische Erkenntnisse sind Kulturgut und beeinflussen entscheidend unser Weltbild. Als Grundlage technischer Entwicklungen in der Kommunikationstechnologie, Energieversorgung, Ökologie, Medizin und in vielen weiteren Fachgebieten prägen physikalische Erkenntnisse das Leben jedes Einzelnen, die Berufs- und Arbeitswelt sowie gesellschaftliche Strukturen.

Naturerscheinungen und das hochtechnisierte Lebensumfeld, in dem wir heute leben, führen die Schülerinnen und Schüler zu Fragen, deren Beantwortung eine naturwissenschaftliche Grundbildung erfordert. Aufbauend auf den aus der Mittelstufe bzw. aus der Vorklasse mitgebrachten Kompetenzen erwerben die Schülerinnen und Schüler im Physikunterricht der Fachoberschule zum einen vertiefte Fähigkeiten im Umgang mit Naturgesetzen und deren Einsatz in technischen Anwendungen, zum anderen fördert der Physikunterricht das Verständnis und die Fähigkeit zur konkreten Umsetzung von charakteristischen Arbeitsweisen der Naturwissenschaft Physik. Sie entwickeln in der Auseinandersetzung mit Fachinhalten weitere Kompetenzen, beispielsweise Erkenntnisse mit fundierten naturwissenschaftlichen Methoden zu gewinnen, theoretisch anspruchsvolle Modelle zu nutzen und kritisch zu hinterfragen, fachliche Informationen zu recherchieren, aufzubereiten und fachsprachlich korrekt zu präsentieren sowie Chancen und Risiken moderner Technologien zu bewerten. Damit leistet das Fach Physik einen wesentlichen Beitrag zur Vorbereitung auf ein Studium, insbesondere im mathematisch-naturwissenschaftlich-technologischen Bereich.

Selbständiges Handeln im Bereich der Naturwissenschaften fördert Kreativität, Durchhaltevermögen sowie Abstraktions- und Kritikfähigkeit. Insbesondere das eigenständig geplante Durchführen von Experimenten im Unterricht der Fachoberschule schult die Team- und Kommunikationsfähigkeit, ein positives Sozialverhalten und die Bereitschaft zur Übernahme von Verantwortung. Während in der Berufsoberschule die bereits erfolgreich abgeschlossene Berufsausbildung oder eine mehrjährige Berufstätigkeit hierfür den entscheidenden Ansatzpunkt darstellt, schafft in der Fachoberschule die fachpraktische Ausbildung der Jahrgangsstufe 11 die Grundlage für die weitere kompetente Bildung der Schülerinnen und Schüler und trägt somit ganz wesentlich zu einem erfolgreichen Eintritt in ein Studium oder in die Berufs- und Arbeitswelt bei.

2.1 Kompetenzstrukturmodell

Kompetenzstrukturmodell Physik

Das Kompetenzstrukturmodell für das Fach Physik weist drei prozessbezogene Kompetenzen im äußeren Ring und vier Gegenstandsbereiche im Inneren aus. Der Kompetenzerwerb der Schülerinnen und Schüler im Unterricht basiert auf dem Zusammenwirken beider Dimensionen des Strukturmodells. Prozessbezogene Kompetenzen werden von Schülerinnen und Schülern im aktiven Umgang mit Fachinhalten erworben und angewandt. Fachinhalte aus unterschiedlichen Teilgebieten der Physik lassen sich mithilfe der Gegenstandsbereiche vernetzen. Das Modell orientiert sich an den Kompetenzbereichen der Bildungsstandards im Fach Physik.

Das Kompetenzstrukturmodell bildet die fachliche Grundlage für die Ausgestaltung des Lehrplans für das Fach Physik. Sowohl die Grundlegenden Kompetenzen als auch die Kompetenzerwartungen des Fachlehrplans sind mit den Elementen des Kompetenzstrukturmodells verbunden.

2.2 Prozessbezogene Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln im aktiven Umgang mit physikalischen Inhalten die prozessbezogenen Kompetenzen, die für das Fach Physik von zentraler Bedeutung sind. Erkenntnisse gewinnen, kommunizieren und bewerten stehen für Fähigkeiten und Fertigkeiten, die einerseits zum Lösen physikalischer Problemstellungen unerlässlich und andererseits charakteristisch für die Naturwissenschaft Physik als empirische Erfahrungswissenschaft sind. Für nachhaltig gewinnbringendes Lernen ist es von großer Bedeutung, dass die prozessbezogenen Kompetenzen im Unterricht bewusst und ausgewogen gefördert werden. Dies wird im Fachlehrplan durch die Ausweisung von Kompetenzerwartungen sichergestellt. Die prozessbezogenen Kompetenzen entwickeln sich bei den Schülerinnen und Schülern über die Jahrgangsstufen hinweg und werden im Fachlehrplan vielfältig inhaltsbezogen konkretisiert.

Erkenntnisse gewinnen

Physikalische Erkenntnisgewinnung basiert auf dem Zusammenwirken experimenteller und theoretischer Arbeitsweisen. Ausgehend von Fragestellungen und Hypothesen planen die Schülerinnen und Schüler Experimente und führen diese anschließend eigenständig bzw. in Form einer lehrergeleiteten Demonstration durch. Im Rahmen experimenteller Auswertungen verwenden die Schülerinnen und Schüler Formen der Mathematisierung und entwickeln theoretische Modelle. Umgekehrt stoßen Modelle auch experimentelle Untersuchungen an und werden von den Schülerinnen und Schülern für Veranschaulichungen, Erklärungen und theoretische Schlussfolgerungen genutzt. Indem die Schülerinnen und Schüler experimentelle Ergebnisse diskutieren sowie Nutzen und Grenzen von Modellen reflektieren, werden ihnen die fachspezifischen Arbeits- und Denkweisen der Physik deutlich.

Kommunizieren

Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, sich physikalische Kenntnisse aus Fach­texten zu erschließen, Informationen zu recherchieren und Arbeitsergebnisse in Dokumentationen und Präsentationen sach- und adressatengerecht aufzubereiten. In fachlichen Diskussionen zeigen sie Offenheit und Bereitschaft, eigene Ideen und Vorstellungen einzubringen und sich mit Gegenargumenten kritisch auseinanderzusetzen. Die Kommunikation in schriftlicher und mündlicher Form setzt vor allem Verständnis und sichere Verwendung der Fachsprache voraus. Dazu gehört auch, fachspezifische Darstellungsformen, wie etwa Tabellen, Diagramme, Vektorpfeile zur Darstellung gerichteter Größen sowie physikalische und mathematische Symbole, gezielt und korrekt zu verwenden.

Bewerten

Die Schülerinnen und Schüler lernen physikalische Sichtweisen bei inner- und außerfachlichen Kontexten zu nutzen, um sachgerechte Entscheidungen für Problemstellungen zu treffen und, beispielsweise im Zusammenhang mit gesellschaftlich relevanten Fragestellungen, einen eigenen Standpunkt zu beziehen. Insbesondere bewerten sie alternative technische Lösungen sowie Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei Experimenten, im Alltag und bei der Nutzung moderner Technologie. Hierbei berücksichtigen sie neben physikalischen Aspekten auch außerfachliche (z. B. ökonomische, ökologische oder ethische) Aspekte. Die Schülerinnen und Schüler reflektieren Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen und sind sich der Chancen und Grenzen physikalischer Problemlösungen bewusst.

2.3 Gegenstandsbereiche

Der Bereich Fachwissen im Kompetenzstrukturmodell wird in die vier Gegenstandsbereiche Energie, Materie, Wechselwirkung und Systeme im Gleich- und Ungleichgewicht untergliedert. Diese grundlegenden fachlichen Konzepte werden über die Jahrgangsstufen hinweg in unterschiedlichen fachlichen Zusammenhängen wiederholt aufgegriffen, thematisiert und ausdifferenziert. Sie unterstützen somit den kontinuierlichen Aufbau fachlicher Kompetenzen im Sinne kumulativen Lernens sowie den Erwerb eines strukturierten und mit anderen Naturwissenschaften vernetzten Wissens.

Physikalische Inhalte können häufig mehreren Gegenstandsbereichen zugeordnet werden. Dies wird den Schülerinnen und Schülern in der Regel erst nach einem längeren Lernprozess bewusst. Deshalb sind im Lehrplaninformationssystem sowohl die Grundlegenden Kompetenzen als auch die Kompetenzerwartungen des Fachlehrplans nur mit denjenigen Gegenstandsbereichen verknüpft, die in der jeweiligen Jahrgangsstufe aus Sicht der Schülerinnen und Schüler bei einem Inhalt im Vordergrund stehen.

Die Gegenstandsbereiche entsprechen den sog. Basiskonzepten der Bildungsstandards im Fach Physik. Sie lassen sich durch Zuordnung von fachlichen Inhalten konkretisieren:

Energie

Beispiele: Energieformen, Energieumwandlung, Energieerhaltung, Arbeit und Wärme, Energieentwertung, Äquivalenz von Masse und Energie

Materie

Beispiele: Masse und Dichte, Aggregatszustände, Teilchenmodell, Standardmodell der Elementarteilchenphysik, Atom- und Kernmodelle

Wechselwirkung

Beispiele: Newton'sche Gesetze, Impulserhaltung, magnetische und elektrische Felder, Gravitation, Wechselwirkung von Strahlung mit Materie, Optik

Systeme im Gleich- und Ungleichgewicht

Beispiele: Kräftegleichgewicht, Temperaturgleichgewicht nach dem Mischen von Flüssigkeiten, Druckunterschiede als Ursache für Teilchenströme, elektrische Spannung als Potenzialdifferenz

3 Aufbau des Fachlehrplans im Fach Physik

Der Fachlehrplan jeder Jahrgangsstufe gliedert sich in mehrere Lernbereiche, die sich im Wesentlichen an den Teilgebieten der Physik (Mechanik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre, Optik, Atomphysik, Kernphysik etc.) orientieren. Die Lernbereiche wiederum unterteilen sich in die beiden Abschnitte „Kompetenzerwartungen“ und „Inhalte zu den Kompetenzen“.
Bei den einzelnen Formulierungen stehen jeweils bestimmte prozessbezogene Kompetenzen im Vordergrund.
Die Reihenfolge der Lernbereiche im Unterricht sowie der chronologische Erwerb der einzelnen, im Fachlehrplan ausgewiesenen Kompetenzen ist durch die Nummerierung der Lernbereiche und die Reihenfolge der Kompetenzerwartungen in den einzelnen Lernbereichen nicht festgelegt. Ein logischer fachlicher Aufbau ist dabei jedoch stets zu gewährleisten.
Die bei den Lernbereichen angegebenen Stundenzahlen sollen lediglich die zeitliche Planung unterstützen und sind keineswegs verbindlich. Dies würde nämlich der grundsätzlichen Philosophie eines kompetenzorientierten Lehrplans widersprechen.

Die ausgewiesenen Kompetenzerwartungen beschreiben fachliche Fähigkeiten und Fertigkeiten der Schülerinnen und Schüler, die am Ende des Lernprozesses nach aktiver Auseinandersetzung mit den Inhalten des jeweiligen Lernbereichs vorliegen. Sie führen die prozessbezogenen Kompetenzen mit konkreten Inhalten zusammen. Kompetenzerwartungen beziehen sich in der Regel auf die Bewältigung von Anforderungssituationen. Eine oberstufenkonforme Verteilung der prozessbezogenen Kompetenzen in der jeweiligen Jahrgangsstufe und eine Progression der Kompetenzen über alle Jahrgangsstufen hinweg sind maßgeblich für den Aufbau des gesamten Fachlehrplans. Das kumulative Lernen der Schülerinnen und Schüler wird, sowohl was die prozessbezogenen Kompetenzen als auch die Inhalte angeht, durch den Aufbau des Fachlehrplans gezielt unterstützt.

Zur Förderung der experimentellen Kompetenz, die Teil der prozessbezogenen Kompetenz Erkenntnisse gewinnen ist, sollen die Schüler regelmäßig selbst Experimente durchführen. Der Fachlehrplan der Vorklasse weist deshalb durchgängig den Einsatz von Experimenten aus, die von Schülerinnen und Schülern eigenständig durchgeführt werden. In der Jahrgangsstufe 11 (Ausbildungsrichtung Technik) experimentieren die Schülerinnen und Schüler im Rahmen des Physikalischen Praktikums. Weiterhin werden an ausgewählten Stellen im Fachlehrplan der Jahrgangsstufen 11, 12 und 13 ebenfalls Schülerexperimente eingesetzt.

Der Lehrplan für das Fach Physik in der Vorklasse gilt für die Ausbildungsrichtungen Technik (T) und Agrar-, Bio- und Umwelttechnologie (ABU) gleichermaßen. Er sichert die fachlichen Kompetenzen und die grundlegenden physikalischen Arbeitstechniken ab (insbesondere innerhalb der Mechanik), um einen möglichst harmonischen Übergang in die Oberstufenphysik zu gewährleisten.

Für die Jahrgangsstufen 11 mit 13 unterteilt sich der Lehrplan für das Fach Physik in die technische Ausbildungsrichtung und in die Ausbildungsrichtung ABU. An der Fachoberschule ist in der Ausbildungsrichtung ABU das Fach Physik in den Jahrgangsstufen 11 und 12 verpflichtendes Profilfach, in der Jahrgangsstufe 13 dagegen Wahlpflichtfach. Neben einer notwendigen mathematischen Beschreibung physikalischer Sachverhalte soll in der Ausbildungsrichtung ABU stets der phänomenologische Zugang zu den einzelnen Themenbereichen im Vordergrund stehen.
In der Ausbildungsrichtung Technik stellt das Fach Physik in den Jahrgansstufen 11 mit 13 ein verpflichtendes Profilfach dar und wird mit einer Fachabitur- bzw. Abiturprüfung abgeschlossen. Schülerinnen und Schüler sollen in dieser Ausbildungsrichtung die zu erwerbenden Fachkompetenzen stets in Verbindung mit einer oberstufengerechten Mathematisierung der physikalischen Sachverhalte erwerben.

Daneben sieht der Lehrplan für das Fach Physik auch ein Wahlpflichtfach Physik in den Jahrgangsstufen 12 und 13 vor. Dieses Wahlpflichtfach mit dem Titel Aspekte der Physik ist für Schülerinnen und Schüler gedacht, die sich weder in der technischen Ausbildungsrichtung noch in der Ausbildungsrichtung ABU befinden, jedoch trotzdem Grundlegende Kompetenzen in der physikalischen Arbeitsweise erwerben möchten. In der Jahrgangsstufe 13 besteht hier die Möglichkeit, aus drei angebotenen Lernbereichen zwei auszuwählen.

4 Zusammenarbeit mit anderen Fächern

In modernen Forschungsprojekten findet häufig eine enge Kooperation zwischen den Teildisziplinen Biologie, Chemie, Technologie und Physik statt. Auch in der Schule bietet sich die interdisziplinäre Behandlung von naturwissenschaftlichen Fragestellungen an, wie z. B. die Entwicklung eines Atommodells, biomechanische Vorgänge bei Sportarten oder regenerative Energiesysteme.

Die physikalische Beschreibung von Naturphänomenen basiert in der schulischen Oberstufe zu einem wesentlichen Teil auf dem Prozess der Mathematisierung. An der Fachoberschule erkennen die Schülerinnen und Schüler schließlich die unverzichtbaren Vorteile einer präzisen mathematischen Darstellung physikalischer Gesetze, die die Verwendung von Methoden der Differenzial- und  Integralrechnung einschließt.

Bei der Durchführung und Auswertung von Experimenten gerade mit digitalen Messwerterfassungssystemen, bei der Modellbildung sowie bei der Verwendung von Standardsoftware zu Recherche-, Dokumentations- und Präsentationszwecken stellen Computer sinnvolle Hilfsmittel dar.

Die Schülerinnen und Schüler lernen bedeutsame Wendepunkte in der Geschichte der Physik kennen, deuten physikalische Erkenntnisse in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen und treffen, z. B. bei der Behandlung der Quantenphysik, auf philosophische Aspekte der physikalischen Erkenntnisgewinnung. Zudem erfordern zentrale, gesellschaftlich relevante Themen (wie z. B. der Umweltschutz und die Sicherung der Energieversorgung) vielfach interdisziplinäre Betrachtungen. Für fächerübergreifende Unterrichtsvorhaben existieren somit auch zahlreiche Verbindungen zu den geistes- und sozialwissenschaftlichen Fächern.

Zur exakten Beschreibung von Naturvorgängen sind der sichere Umgang mit der deutschen Sprache in Wort und Schrift einschließlich des richtigen Einsatzes der Fachterminologie unabdingbar. Die gelegentliche Verwendung englischsprachiger Fachtexte kann die Schülerinnen und Schüler für die Bedeutung der englischen Sprache bei Veröffentlichungen und (inter)nationalen Forschungsvorhaben im Bereich der Naturwissenschaften sensibilisieren.

5 Beitrag des Faches Physik zu den übergreifenden Bildungs- und Erziehungszielen

Das Fach Physik leistet zu zahlreichen übergreifenden Bildungs- und Erziehungszielen wertvolle Beiträge. Die wichtigsten Aspekte sind im Folgenden aufgeführt:

Technische Bildung

Die Schülerinnen und Schüler sind aufgrund ihrer physikalischen Kenntnisse in der Lage,  grundlegende Funktionsweisen technischer Geräte zu erklären. Im Physikunterricht entwickeln sie zudem die Fähigkeit, sich selbständig Funktionsprinzipien moderner Technologie anhand von Fachtexten zu erschließen. Sie bewerten mit dem technischen Fortschritt verbundene Chancen und Risiken für den Einzelnen, die Gesellschaft und die Umwelt und nehmen vor dem Hintergrund unterschiedlicher Meinungen in der Gesellschaft (z. B. im Zusammenhang mit der Nutzung von Kernenergie) einen eigenen fundierten Standpunkt ein. Sie berücksichtigen in Kontexten, in denen das Fach Physik einen Beitrag zur technischen Bildung leistet, auch ökologische, ökonomische, soziale und politische Aspekte.

Verkehrserziehung

Im Fach Physik erwerben die Schülerinnen und Schüler fachliche Kenntnisse, die entscheidend dabei helfen, kritische Situationen im Straßenverkehr sachgerecht zu bewerten. Naturgesetze führen ihnen zum einen das Gefahrenpotenzial vor Augen, das von Fahrten mit nicht angepasster Geschwindigkeit ausgeht, zum anderen wird ihnen die große Bedeutung von Straßenverkehrsregeln sowie von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen deutlich. Das Fach Physik fördert somit das gefahrenbewusste und verantwortungsvolle Handeln im Straßenverkehr sowie die Bereitschaft zu Rücksichtnahme und defensivem Verhalten. Bei der Behandlung des Themas Energieversorgung wird das Problembewusstsein der Jugendlichen für ökologische und ökonomische Fragen auch im Zusammenhang mit Mobilität und Verkehr gestärkt.

Bildung für Nachhaltige Entwicklung (Umweltbildung, Globales Lernen)

Die Energieversorgung sicherzustellen und diese mit nachhaltiger Entwicklung zu verbinden, stellt die jetzigen und zukünftigen Generationen vor große Herausforderungen. Neuen technischen Entwicklungen, die u. a. auf physikalischer Grundlagenforschung beruhen, kommt hierbei eine zentrale Bedeutung zu. Das Fach Physik macht die Schülerinnen und Schüler mit den fachlichen Grundlagen vertraut, um verschiedene Formen der Energiegewinnung und des Energietransports vergleichen und bewerten zu können. Hierbei wägen sie Kriterien (wie z. B. Wirkungsgrad, Ressourcenknappheit oder Auswirkungen auf die Umwelt) gegeneinander ab.

Sprachliche Bildung

Das Fach Physik trägt durch die gezielte Einführung und fortwährende Einübung der Fachsprache, verbunden mit einer konsequenten Unterscheidung von der Alltagssprache, zur sprachlichen Bildung bei. Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich Fachtexte und stellen ihre eigenen Ideen, wie es für die naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung kennzeichnend ist, sach- und adressatengerecht in mündlicher und schriftlicher Form vor. In fachlichen Diskussionen wird ihre Kritikfähigkeit, ihre Offenheit für neue Argumente sowie die Fähigkeit entwickelt, sich treffend, angemessen und wertschätzend auszudrücken.

Medienbildung/Digitale Bildung

Das Fach Physik unterstützt auf vielfältige Art und Weise die Medienbildung. Die Schülerinnen und Schüler reflektieren Darstellungen fachlicher Daten in Tabellen und Diagrammen, wie sie häufig in Medien zur Veranschaulichung eingesetzt werden. Sie lernen für Recherche-, Dokumentations- und Präsentationszwecke fachliche Informationen aus verschiedenen Medien bewusst auszuwählen, sach- und adressatengerecht zu verarbeiten und zu bewerten. Hierbei werden sie auch für urheber- und datenschutzrechtliche Fragen sensibilisiert. Der zielgerichtete Einsatz des Computers, u. a. zur Durchführung und Auswertung von Experimenten, zur Simulation physikalischer Prozesse und als Lernwerkzeug, liefert einen weiteren Beitrag zur Medienbildung.

Kulturelle Bildung

Seit jeher haben sich Kulturen dadurch ausgezeichnet, den Naturwissenschaften einen hohen Stellenwert beizumessen. Im Physikunterricht gewinnen die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in kulturelle Leistungen, die Grundlage für wesentliche Fortschritte (z. B. in der Astronomie, der Technik und der Architektur) waren. Die Beiträge bedeutender Physikerinnen und Physiker bereichern den Unterricht in allen physikalischen Teildisziplinen und zeigen das gemeinsame Streben der Menschen nach Erkenntnisgewinn auf.

Gesundheitserziehung

Kenntnisse über Sicherheitsaspekte beim Experimentieren, insbesondere über den sicheren Umgang mit elektrischer Energie und optischer Strahlung, bilden eine wichtige fachliche Grundlage für den verantwortungsvollen Umgang mit technischen Geräten und die Bewertung möglicher Gefahrensituationen im häuslichen Umfeld. Die Schülerinnen und Schüler lernen im Fach Physik auch die Wirkungen ionisierender Strahlung auf den menschlichen Organismus sachgerecht einzuschätzen. Dieser physikalische Hintergrund unterstützt sie dabei, im Zusammenhang mit diagnostischen und therapeutischen Verfahren der Medizin eine persönliche Haltung zu entwickeln, die von unreflektierter Verharmlosung ebenso distanziert ist wie von kategorischer Ablehnung medizintechnischer Anwendungen.