Bildungsstandards im Fach Physik

1. Bildungsstandards im Fach Physik Beschluss vom 16.12.2004

3. EPA Standards Kl. 10 Lehrplan Kl. 5 - 10 Erwartungshorizont Kl. 8 Erwartungshorizont Kl. 6 Länderübergreifend(KMK) Rheinland-Pfalz EPA Lehrplan Gymnasiale Oberstufe Bundesweite Bildungsstandards + Beispielaufgaben schuleigene Arbeitspläne

4. Bildungsstandards in Physik • Was sind Bildungsstandards • Unterschied Bildungsstandards – Lehrpläne • Kompetenzbereiche, Standards für Kompetenz- bereiche • Umsetzung in Rheinland-Pfalz • Aufgaben • Arbeit in Fachkonferenzen • Evaluation • Quellen

5. Die Bildungsstandards • greifen Grundprinzipien des jeweiligen Unterrichtsfaches auf • beschreiben fachbezogene Kompetenzen einschließlich • zugrunde liegender Wissensbestände, die Schülerinnen und • Schüler bis zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht haben • sollen • zielen auf systematisches und vernetztes Lernen und folgen • so dem Prinzip des kumulativen Kompetenzerwerbs • beschreiben erwartete Leistungen im Rahmen von • Anforderungsbereichen • beziehen sich auf Kernbereich des jeweiligen Faches und • geben Schulen Gestaltungsräume für pädagogische Arbeit • weisen mittleres Anforderungsniveau aus • werden durch Aufgabenbeispiele veranschaulicht.

6. Grundstruktur der Bildungsstandards aller Fächer Gliederung: 1. Der Beitrag des Faches ... zur Bildung 2. Kompetenzbereiche und Kompetenzen im Fach ... 3. Standards für die Kompetenzbereiche im Fach ... 4. Aufgabenbeispiele

7. Was unterscheidet Lehrpläne von Bildungsstandards? • Lehrpläne geben detailliert • Standards fokussieren auf Inhalte vor zentrale Ideen des Faches • Lehrpläne beschreiben • Standards beschreiben Ziele von Lernen – nicht Kompetenzen und Ergebnisse von Lernpro- Niveaustufen, die erreicht zessen werden müssen • Lehrpläne gehen davon • Standards überprüfen, ob aus,dass die Schüler das das gelernt wurde, was lernen,was unterrichtet erwartet wird wurde

10. Kompetenzbereiche im Fach Physik

11. Fachwissen Fünf Inhaltsbereiche: • Mechanik • Elektrizitätslehre • Wärmelehre • Optik • Struktur der Materie

12. Fachwissen Physikalische Phänomene, Begriffe, Prinzipien, Fakten, Gesetzmäßigkeiten kennen und Basiskonzepten zuordnen vier Basiskonzepte: 1. Materie Beispiele: Körper können verschiedene Aggregatzu- Form und Volumen von Körpern stände annehmen. Diese können sich durch äußere Einwirkungen ändern. Körper bestehen aus Teilchen. Teilchenmodell, Brownsche Bewegung Materie ist strukturiert. Leitungsvorgänge, Kernspaltung 2. Wechselwirkung Beispiele: Wenn Körper aufeinander einwirken, kann Kraftwirkungen, Trägheitsgesetz, eine Verformung oder eine Änderung der Wechselwirkungsgesetz, Impuls Bewegungszustände der Körper auftreten. Körper können durch Felder aufeinander Kräfte zwischen Ladungen, einwirken. Schwerkraft, Kräfte zwischen Magneten, Induktion Strahlung kann mit Körpern wechselwirken, Reflexion, Brechung, Totalreflexion, dabei können sich Strahlung und Körper Farben, Farbwahrnehmung, verändern. Treibhauseffekt, globale Erwärmung, ionisierende Strahlung

13. 3. Systeme Beispiele: Stabile Zustände können durch Gleichge- Kräftegleichgewicht, thermisches Gleich- wichte bewirkt werden. gewicht (Fließgleichgewicht), Druckgleich- gewicht Gestörte Gleichgewichte können Ströme Druck-, Temperatur- bzw.Potenzialunter- und Schwingungen hervorrufen. schiede und die verursachtenStrömungen Ströme benötigen einen Antrieb (Ursache) Elektrischer Stromkreis, thermische und können durch Widerstände in ihrer Ströme Stärke beeinflusst werden. 4. Energie Beispiele: Nutzbare Energie kann aus erschöpfbaren und fossile Brennstoffe, Wind- undSonnen- regenerativen Quellen gewonnen werden. energie, Kernenergie Beim Transport und bei der Nutzung der Generator, Motor, Transformator, Energie kann eine Änderung der Energieform Wirkungsgrad, Abwärme, stattfinden bzw. der Energieträger gewechselt Energieentwertung, Entropie werden. Dabei kann nur ein Teil der eingesetz- ten Energie für den eigentlichen Zweck genutzt werden. Die Gesamtheit der Energien bleibt konstant. Pumpspeicherwerk, Akkumulator, Wärmepumpe (Kühlschrank) Bei Körpern unterschiedlicher Temperatur Wärmeleitung, Strahlung, findet ein Energiefluss nur von alleine von höherer zu niedrigerer Temperatur statt.

14. Erkenntnisgewinnung Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen Physikalische Erkenntnisgewinnung ist ein Prozess, der durch folgende Tätigkeiten beschrieben werden kann: Wahrnehmen: Beobachten und Beschreiben eines Phänomens, Erkennen einer Problemstellung, Vergegenwärtigen der Wissensbasis, Ordnen: Zurückführen auf und Einordnen in Bekanntes, Systematisieren Erklären: Modellieren von Realität, Aufstellen von Hypothesen Prüfen: Experimentieren, Auswerten, Beurteilen, kritisches Reflektieren von Hypothesen Modelle bilden: Idealisieren, Beschreiben von Zusammenhängen, Verallgemeinern, Abstrahieren, Begriffe bilden, Formalisieren, Aufstellen einfacher Theorien, Transferieren

15. Kommunikation • Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen • Fähigkeit zu adressatengerechter und sachbezogener Kommunikation • Einsatz moderner Methoden und Techniken der Präsentation, • Beherrschen der Regeln der Diskussion, • Verfügen über angemessene Sprech- und Schreibfähigkeit in der • Alltags- und der Fachsprache • Bereitschaft, eigenes Wissen, eigene Ideen und Vorstellungen in die • Diskussion einzubringen und zu entwickeln, den Kommunikations- • partnern mit Vertrauen zu begegnen, ihre Persönlichkeit zu • respektieren und einen Einblick in den eigenen Kenntnisstand zu • gewähren.

16. Bewertung Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten Heranziehen physikalischer Denkmethoden und Erkenntnisse zur Erläuterung, zum Verständnis und zur Bewertung physikalisch-technischer und gesellschaftlicher Entscheidungen ist Teil einer zeitgemäßen Allgemeinbildung. Hierzu ist es wichtig, zwischen physikalischen, gesellschaftlichen und politischen Komponenten einer Bewertung zu unterscheiden. Neben der Fähigkeit zur Differenzierung nach physikalisch belegten, hypothetischen oder nicht naturwissenschaftlichen Aussagen in Texten und Darstellungen ist es auch notwendig, die Grenzen naturwissenschaftlicher Sichtweisen zu kennen.

17. Standards für den Kompetenzbereich Fachwissen Physikalische Phänomene, Begriffe, Prinzipien, Fakten, Gesetzmäßigkeiten Kennen und Basiskonzepten zuordnen Die Schülerinnen und Schüler F 1 verfügen über ein Basiswissen, strukturiert nach den beschriebenen Basiskonzepten Materie, Wechselwirkungen, Systeme und Energie F 2 geben ihre Kenntnisse über physikalische Grundprinzipien, Größen- ordnungen, Messvorschriften, Naturkonstanten sowie einfache physikalische Gesetze wieder, F 3 nutzen diese Kenntnisse zur Lösung von Aufgaben und Problemen, F 4 wenden diese Kenntnisse in verschiedenen Kontexten an, F 5 ziehen Analogien zum Lösen von Aufgaben und Problemen heran.

18. Standards für den Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen Die Schülerinnen und Schüler E 1 unterscheiden zwischen alltagssprachlicher und fachsprachlicher Beschreibung von Phänomenen, E 2 beschreiben Phänomene und führen sie auf bekannte physikalische Zusammenhänge zurück, E 3 wählen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen zur Bearbeitung von Aufgaben und Problemen aus, prüfen und ordnen sie, E 4 verwenden Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung, E 5 wenden einfache Formen der Mathematisierung an, E 6 nehmen einfache Idealisierungen vor, E 7 stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf, E 8 planen einfache Experimente, führen sie durch und dokumentieren die Ergebnisse, E 9 werten gewonnene Daten aus, ggf. auch durch einfache Mathematisierungen, E10 beurteilen die Gültigkeit empirischer Ergebnisse und deren Verallgemeinerung.

19. Standards für den Kompetenzbereich Kommunikation • Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen • Die Schülerinnen und Schüler • K 1 tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter • angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus, • K 2 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geräte und deren Wirkungsweise, • K 3 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit, • K 4 präsentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit adressatengerecht, • K 5 diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte unter physikalischen Gesichts- • punkten.

20. Standards für den Kompetenzbereich Bewertung • Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen und bewerten • Die Schülerinnen und Schüler • B 1 zeigen an einfachen Beispielen die Chancen und Grenzen der physikalischen • Sichtweise auf, • B 2 vergleichen und bewerten alternative technische Lösungen auch unter • Berücksichtung physikalischer, ökonomischer, sozialer und ökologischer • Aspekte, • B 3 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Risiken und Sicherheits- • maßnahmen bei Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien, • B 4 benennen Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse in historischen und • gesellschaftlichen Zusammenhängen

21. Die Erwartungshorizonte ... • ... beziehen sich auf die Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss (Ende Kl. 10) • ... beschreiben, in welchem Umfang und auf welchem Niveau die geforderten Kompetenzen am Ende der Klasse 6 und am Ende der Klasse 8 erreicht sein sollen • ... erläutern die beschriebenen Kompetenzen und Anforderungsniveaus durch Aufgabenbeispiele

22. Umsetzung der Bildungsstandards in Rheinland-Pfalz • Die ersten Schritte: • Bildungsstandards liegen vor für den Mittleren Schulabschluss (Ende Klasse 10) in De, Ma, 1. FS (En, Fr) - (verbindlich) • „Erwartungshorizonte“ liegen vor für Ende Kl. 6 und Ende Kl. 8 D, Ma, 1.FS - (Unterstützung der Lehrkräfte, nicht verbindlich) • Von Fachleuten wurden Beispielaufgaben zur Verdeutlichung der Standards erarbeitet • Die Lehrpläne gelten weiterhin

23. Input- orientierte Steuerung Output- orientierte Steuerung U n t e r r i c h t 5 6 7 8 9 10 Steuerung schulischer Lernprozesse • Lehrpläne (landesspezifisch) • detaillierte Festlegung der Inhalte • Lernziele pro Klassen-stufe • z.T. method. Hinweise • Stundentafeln • Regelungen für Leistungsmessung • keine standardisierte Überprüfung der Er-gebnisse • Bildungsstandards (bundesweit einheitlich) • Kernideen des Fachs • kumulativ erworbene Kompetenzen zum Abschluss • Leistungserwartungen • Detaillierte Inhalte und Unterrichtsgestaltung entscheidet die Schule • Standardisierte Ergebnis-kontrollen

24. Umorientierung: Inputsteuerung  Outputsteuerung Inputorientierte Steuerung: Outputorientierte Steuerung: • Detaillierte Rege-lungen für den Weg (Lernprozess) • Umsetzung und Erreichen der Ziele liegen in der Ver-antwortung der Schule • Die Gestaltung des Weges (Lernprozess) liegt in der Verantwortung der Schule • Zentrale Kontrolle des Erreichens der Ziele (Standardisier-te Ergebniskontrol-len)

25. EPA Standards Kl. 10 Lehrplan Kl. 5 - 10 Erwartungshorizont Kl. 8 Erwartungshorizont Kl. 6 Länderübergreifend(KMK) Rheinland-Pfalz EPA Lehrplan Gymnasiale Oberstufe Bundesweite Bildungsstandards + Beispielaufgaben schuleigene Arbeitspläne

26. Aber, das machen wir doch schon alles, was ist neu daran? • Richtig, niemand sollte so tun, als ob wir – Ziele formulieren und uns nicht darum kümmern, ob wir das auch beibringen – den Schülern keine Gelegenheit geben zu zeigen, was sie können – keine Leistungen überprüfen • Richtig ist aber auch, dass wir – uns nicht genügend unsere Wirkung vergegenwärtigen – glauben, dass bestimmte Kompetenzen en passant mitgelernt werden – nicht immer das überprüfen, was wir gelehrt haben oder glauben gelehrt zu haben

27. Aufgabenbeispiel: Energiebedarf beim Kochen von Kartoffeln Basiskonzept Energie Kartoffeln werden auf einem Gasherd in einem Topf mit Wasser gekocht. Auf dem Topf liegt ein Deckel. Nachdem die Gasflamme entzündet wurde, wird die Temperatur des Wassers in regelmäßigen Zeitabständen gemessen. Aus den Messwerten ergibt sich folgendes Diagramm:

28. Beschreiben Sie anhand des Diagramms den Temperaturverlauf des • Wassers in Abhängigkeit von der Zeit. • 2. Erläutern Sie, wozu die von der Gasflamme zugeführte Energie in den ersten fünf Minuten und den folgenden fünfzehn Minuten verwendet wird. • Begründen Sie, warum es empfehlenswert ist nach den ersten fünf Minuten die Gasflamme kleiner einzustellen. • Berechnen Sie die Energie, die dem Wasser und den Kartoffeln in den ersten 5 Minuten zugeführt werden. Da Kartoffeln im Wesentlichen aus Wasser bestehen, kann man davon ausgehen, dass insgesamt 500 g Wasser erwärmt werden. Man benötigt 4,19 kJ Energie, um 1 kg Wasser um 1°C zu erwärmen. • Für die Erwärmung der Kartoffeln und des Wassers von 20 °C auf 100 °C wurden 0,018 m³ Erdgas benötigt. Das Erdgas hat einen Heizwert von 39 MJ/m3. Berechnen Sie den Wirkungsgrad für diese Erwärmung. • Die Kartoffeln waren beim Kochen nicht vollständig mit Wasser bedeckt. • Nennen Sie Argumente, die dafür sprechen, beim Kochen von Kartoffeln • möglichst wenig Wasser zu verwenden.

29. Erwartungshorizont Zu 1 Die Temperatur steigt innerhalb der ersten 5 Minuten von 20°C auf 100°C in etwa gleichmäßig an. Danach bleibt sie weitgehend konstant auf etwa 100°C. Zu 2 In den ersten fünf Minuten wird die von der Gasflamme zuge- führte Energie für die Erwärmung des Wassers und der Kartoffeln verwendet, danach zum Verdampfen des Wassers. Während der ganzen Zeit wird ein Teil der zugeführten Energie an die Umgebung abgegeben. Zu 3 Nach fünf Minuten wird nur noch die Energie benötigt, die an die Umgebung abgegeben wird bzw. mit dem Wasserdampf ent- weicht. Entsprechend kann man die Gasflamme kleiner einstellen. Wird in dieser Phase zu viel Gas verbrannt, verdampft unnötig viel Wasser und damit entweicht auch mehr Wasserdampf.

30. Zu 4 Es wird der Wert für die Energie mit 167,6 kJ berechnet. Zu 5 In den ersten fünf Minuten wurden beim Verbrennen 702 kJ Energie an den Kochtopf und die Umgebung abgegeben. Zum Erwärmen des Wassers und der Kartoffeln wurden 167,6 kJ genutzt. Für den Wirkungsgrad ergibt sich ein Wert von 24%. Zu 6 Wegen der geringeren Wassermenge wird weniger Energie benötigt. Über der Wasseroberfläche bildet sich Wasserdampf, der eine Temperatur von ca. 100 °C hat. Dieser Wasserdampf fördert das Garen der Kartoffeln ebenso wie das siedende Wasser.

31. Um es klar zu sagen • Solche Aufgaben wurden auch früher gestellt • Lehrpläne haben sie schon immer gefordert, die nach- drückliche Ermutigung war indes nicht so intensiv • Bestimmte Kompetenzen werden heute stärker in den Blick genommen

32. Arbeit mit den Bildungsstandards • Arbeit mit den Erwartungshorizonten vom 30.8.2004 in den Fächern De, Ma, En, Fr (Handreichungen) • Absprachen in den Fachkollegien – Absprachen beim Lehrerwechsel – Verabredungen über Parallelarbeiten – Verabredungen über Bewertungsmaßstäbe • Entwickeln schulinterner Arbeitspläne • Entwicklung von Förderkonzepten • Gemeinsame Unterrichtsentwicklung

33. Wie kann ein pragmatischer Start der Arbeit in den Schulen aussehen? • In den Fachschaften: Vorbereitungen, Analyse • Alle informieren sich über Inhalte der Bildungsstandards und Erwartungshorizonte – im Vergleich mit dem Lehrplan • Welche Kenntnisse, Fähigkeiten, Fertigkeiten sind für unser Fach besonders wichtig („Grundwissen und –fähigkeiten, Kernbereich“)? • In welchem Umfang erreichen unsere Schüler/innen am Ende der Klasse 10 die in den Bildungsstandards geforderten Kompetenzen? (evtl. Test in allen 10. Klassen zur Orientierung) • In welchen Teilen des „Kernbereichs“ haben unsere Schüler/innen erfahrungsgemäß Schwierigkeiten? • Welche Kriterien für die Leistungsbewertung wenden die einzelnen Kollegen an?

34. Wie kann ein pragmatischer Start der Arbeit in den Schulen aussehen? • In den Fachschaften: Verabredungen, Planungen • Wie können wir kumulatives Lernen fördern? (z.B. Maßnahmen zum regelmäßigen Wiederholen) • Absprachen über inhaltliche Schwerpunktsetzungen (Erwartungshorizonte, Standards, Lehrplan) • Welche Maßnahmen wenden Einzelne schon an, um Lernschwierigkeiten zu beheben? • Was sollen unsere Schüler/innen am Ende der Klasse 6 / der Klasse 8 können? • Entwickeln schulinterner „Arbeitspläne“, die für alle Fachlehrkräfte verbindlich sind

35. Pragmatischer Start Zusammenfassung • Diskussion der Bildungsstandards und Kompetenz- konzepte in den Fachkollegien – Was sind unsere zentralen Ziele? – Worin sehen wir die Kernbereiche unseres Faches? – Wie sichern wir kumulatives Lernen? (z.B. bei Lehrerwechsel) – Nach welchen Kriterien bewerten wir Schülerleistungen? – Wie gewinnen und nutzen wir diagnostische Information? • Entwicklungsschritte – Verbindliche Absprachen für Lehrerwechsel – Vergleichsarbeiten - Förderkonzepte – Gemeinsame Unterrichtsentwicklung

36. Qualitätskontrolle der Standards • Wissenschaftliche Einrichtung „Institut für Qualitäts- • entwicklung im Bildungswesen (IQB)“ an der Humboldt- • Universität Berlin • Weiterentwicklung der Standards • Entwicklung eines Aufgabenpools • Normierung von Aufgaben (repräsentative Stich- • proben ab 2006) • Aufbereitung der Rückmeldungen der Länder

37. Jede Generation hat das Recht, etwas neu zu erfinden, was es schon gibt, es dabei aber neu zu sehen und zu verändern. Jede Generation hat die Pflicht, sich immer wieder mit bereits Gedachtem neu auseinanderzusetzen und darüber zu verhandeln. Die Bildungsstandards bieten dazu eine gute Gelegenheit.

38. Quellen • www.kmk.org/schul/Bildungsstandards/ standards_physik_30.08.04.pdf • www.uni-koblenz.de/~odsleis/epa/ standards_physik.pdf • bildungsstandards.bildung-rp.de/ ph-online.0.html • www.schule-bw.de/aktuelles/neu/leuhefte/ ph381 und ph382 • www.dipf.de(Publikationen - Aufsätze u. Artikel - Expertise zur Entwicklung nationaler Bildungs- standards; Klieme u.a.)