Physik: Willkommen im Fachportal

Im gesellschaftlichen Diskurs wird häufig von der (Natur-)Wissenschaft gesprochen, die oft als allgemeingültige Argumentationsgrundlage herangezogen wird. In der Unterrichtseinheit sollen Schülerinnen und Schüler dieses Verständnis kritisch hinterfragen. Als Beitrag zu einer umfassenden naturwissenschaftlichen Bildung erarbeiten sie die Rahmenbedingungen von naturwissenschaftlichem Forschen und Handeln, diskutieren bestehende Kontroversen und Grenzen und gelangen so zu einem vertieften Verständnis über das Wesen bzw. die Eigenschaften der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung. In dieser Unterrichtseinheit setzen sich die Lernenden mit den (Natur-)Wissenschaften auseinander und werden befähigt, naturwissenschaftliche Erkenntnisse kritisch zu reflektieren und kompetent einzuordnen. Eine Schülerin stellt ihre Erfahrung mit der Unterrichtseinheit im Community Call des Forums Bildung (2023) vor: https://www.youtube.com/watch?v=DV387Otll_M&t=22s . Die Unterrichtseinheit ist nach den Prinzipien des Unterrichtskonzept des Deeper Learning nach Anne Sliwka und Britta Klopsch konzipiert und folgt dem Drei-Phasen-Modell des Deeper Learning. Vertiefende Informationen dazu bietet das Workbook für Lehrkräfte: "Deeper Learning gestalten" (Beigel, Klopsch & Slwika, 2023) der Deutsche Telekom Stiftung, das am Ende der Einheit verlinkt und kostenfrei verfügbar ist. Ziel der Unterrichtseinheit ist es, dass die Schülerinnen und Schüler Fachwissen im Bereich Naturwissenschaften erwerben und dieses durch die ko-kreative und ko-konstruktive Bearbeitung einer authentischen Lernleistung anwenden. Der Fokus liegt dabei auf dem Erwerb vielfältiger Kompetenzen, die in verschiedenen Konzepten beschrieben sind. Zum einen in den sogenannten 4Ks, die vier zentralen Kompetenzen des Lernens im 21. Jahrhundert: kritisches Denken, Kreativität, Kommunikation und Kollaboration. Zum anderen in den 21st Century Skills, die über das reine Fachwissen hinausgehen und Fähigkeiten wie Problemlösefähigkeit oder Eigenverantwortung umfassen. Weitere Kompetenzen sind die Entwicklung von Mastery – das tiefergehende Verständnis von einem bestimmten Fachgebiet –, von Kreativität sowie der Stärkung der Identität in Co-Agency, das gemeinsame Gestalten von Lernprozessen. Was zeichnet Prozesse der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung aus? Wie arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler? Welche naturwissenschaftlichen Forschungsmethoden gibt es? Diese Fragen stehen im Mittelpunk von Phase I, der Instruktions- und Aneignungsphase der Einheit. Schülerinnen und Schüler erhalten verschiedene Lernmaterialien, die in einer vorbereiteten Lernumgebung, teilweise auch digital, zur Verfügung stehen. Ziel ist es, mit Hilfe der Materialien die Eigenschaften von Naturwissenschaften zu verstehen und fachwissenschaftlich korrekt wiederzugeben. Dabei dienen die sieben von Lederman et al. (2002, 2006, 2014) identifizieren Merkmale von Naturwissenschaften als angestrebtes gemeinsames Wissensfundament für die Schülerinnen und Schüler, da sie alltagsrelevante und lebensnahe Eigenschaften darstellen. Die Lernenden wenden diese gelernten Merkmale daraufhin in einem fachlichen Kontext an und zeigen so, dass sie verstanden haben, wodurch wissenschaftliche Ergebnisse geprägt sind. In Phase II, der Phase "Ko-Konstruktion und Ko-Kreation" , wenden die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen aus Phase I praktisch an, indem sie die Merkmale naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnungsprozesse am konkreten Beispiel einer Wissenschaftlerin bzw. eines Wissenschaftlers oder alternativ anhand einer historischen oder aktuellen naturwissenschaftlichen Fragestellung erarbeiten. Die entstehenden Erkenntnisse werden für eine anschließende Präsentation aufbereitet, wobei den Schülerinnen und Schülern die Wahl des zu erstellenden Lernprodukts freisteht. In Phase III, der Phase "Authentische Leistung" , präsentieren die Schülerinnen und Schüler anschließend ihre authentische Lernleistung und teilen ihren Erkenntnisgewinn mit der Lerngruppe und ggf. der Schulöffentlichkeit. Relevanz des Themas In aktuellen gesamtgesellschaftlichen Diskussionen und Entwicklungen wird den Naturwissenschaften eine gemeinhin hohe Bedeutung zugemessen. Unsere heutige Welt basiert in vielen Bereichen auf naturwissenschaftlichen Erkenntnissen – technologische, medizinische und ökologische Fortschritte sind untrennbar mit ihnen verbunden. Gleichzeitig wird bestimmten naturwissenschaftlichen Erkenntnissen, etwa dem menschengemachten Klimawandel, aber auch immer wieder von einzelnen Personengruppen die Legitimität abgesprochen. Ziel einer umfassenden naturwissenschaftlichen Bildung sollte es daher sein, Schülerinnen und Schüler dazu zu befähigen, die Grundlagen und Rahmenbedingungen naturwissenschaftlicher Forschung zu verstehen, bestehende Kontroversen und Grenzen zu kennen und diese differenziert bewerten zu können. So entwickeln sie die Fähigkeit, naturwissenschaftliche Erkenntnisse kritisch einzuordnen, argumentativ zu verteidigen und fundiert in gesellschaftliche Diskurse und Aushandlungsprozesse einzubringen und werden letztlich in die Lage versetzt, ihre Zukunft reflektiert und verantwortungsvoll mitzugestalten. Vorkenntnisse Es ist davon auszugehen, dass Schülerinnen und Schüler zum Ende der Sekundarstufe I bereits grundlegend mit dem Prozess der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung vertraut sind. Je nach Bedarf stellt Material III dahingehend eine Wiederholung oder Einführung dar. Die Unterrichtseinheit ist so konzipiert, dass sich die Lernenden die notwendigen fachlichen Kenntnisse zur "Nature of Science" in der Aneignungs- und Instruktionsphase aneignen. Schülerinnen und Schüler, die in diesem Bereich bereits über Vorwissen verfügen, können die Phase schneller abschließen bzw. sich intensiver mit den weiterführenden Informationen in Material II auseinandersetzen. Didaktisch-methodische Kommentar Die Lerneinheit wurde für den Einsatz in der Grundlagenakademie der Einführungsphase entwickelt. Sie stellt eine Ergänzung zum fachgebundenen (Mathematik-, Deutsch- oder Englisch-) Vertiefungskurs nach der Ausbildungs- und Prüfungsordnung für die gymnasiale Oberstufe NRW dar, fördert gezielt fachliche und überfachliche Kompetenzen und führt die Schülerinnen und Schüler an das Konzept des Deeper Learning heran. Thematisch ist die Einheit in den naturwissenschaftlichen Fächern Biologie, Chemie und Physik verankert, wobei die Wahl der Vertiefungsthemen den Interessen und Neigungen der Schülerinnen und Schülern überlassen bleibt. Ziel ist die explizite Vermittlung von "Nature of Science" bzw. der Eigenschaften von Naturwissenschaften. Gebhard, Höttecke und Rehm (2017) stellen in ihrer "Pädagogik der Naturwissenschaften" heraus, dass die fachdidaktische Forschungslage zur Wirksamkeit der Vermittlung eindeutig ist. Dabei beziehen sie sich auch auf Khisfhe und Abd-El-Khalick (2002), die herausgearbeitet haben, dass Schülerinnen und Schülern von vielfältigen Reflexionsanlässe profitieren. Die naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung bzw. die Natur der Naturwissenschaften, soll von einer Meta-Ebene aus nachvollzogen werden. Am Beispiel der weiterentwickelten Bildungsstandards in den Naturwissenschaften für das Fach Chemie (MSA) (KMK, 2024) lässt sich exemplarisch die Passung von "Nature of Science" auf die curricularen Vorgaben verdeutlichen: "Bildung in der Chemie ermöglicht Einblicke in die Arbeitsweisen der chemischen Industrie und Forschung, fördert das Wissenschaftsverständnis im Sinne von Nature of Science, trägt zur lebenslangen individuellen Kompetenzentwicklung bei und ist somit ein wichtiger Teil der Allgemeinbildung (KMK, 2024, S.6)." "Die Erkenntnisgewinnungskompetenz der Lernenden zeigt sich in der Kenntnis grundlegender naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen verbunden mit der Fähigkeit, diese zu beschreiben, zu erklären, für Erkenntnisprozesse systematisch zu nutzen und deren Möglichkeiten und Grenzen zu reflektieren (KMK, 2024, S.7)." Dittmer und Zabel (2019) betonen, dass naturwissenschaftliche Bildung die Rahmenbedingungen, Kontroversen und Grenzen von Wissenschaft in den Blick nehmen sollte. Der Bildungswert der Wissenschaft wird dabei unter dem Begriff "Nature of Science" diskutiert. "Nature of Sciene" steht für den didaktischen Anspruch, wissenschaftstheoretische und -historische Aspekte in den Naturwissenschaftsunterricht zu integrieren und die Vermittlung naturwissenschaftlicher Mythen durch eine rein lehrbuchorientierte geprägte Unterrichtspraxis zu verhindern (Dittmer & Zabel, 2019). Zentrale Fragen dabei lauten: Welche Fragen können Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftler beantworten – und welche prinzipiell nicht? Welches Welt- und Menschenbild transportieren naturwissenschaftliche Theorien und Forschungsvorhaben? Worauf gründet sich naturwissenschaftliches Wissen, und wie haltbar und weitreichend ist es? Wie verhalten sich Naturwissenschaft und Religion zueinander? Worin unterscheidet sich die naturwissenschaftliche Sichtweise auf die Welt beispielsweise von einer künstlerischen Perspektive? (ebd.). In Phase I der Unterrichtseinheit steht das Sammeln bedeutungsvoller Lernerfahrungen im Mittelpunkt. Die Schülerinnen und Schüler erwerben ein solides Wissensfundament, das sie in Phase II gezielt vertiefen und weiterentwickeln. Die Vermittlung erfolgt über Impulse durch die Lehrkraft (z. B. Kurzvorträge) sowie durch die gemeinsame Diskussion im Plenum. Ergänzend arbeiten die Lernenden in Einzel- und Gruppenarbeitssettings an der Erschließung der "Lederman seven", wobei der Fokus auf eigenständiger Recherche liegt. Zur Unterstützung dient Material II, das als vorstrukturierte Lernhilfe konzipiert ist und Binnendifferenzierung ermöglicht. Es bündelt Informationen zum Thema "Nature of Science" für unterschiedlichen Niveaustufen - von populärwissenschaftlichen Texten über fachdidaktische Beiträge bis hin zu englischsprachigen Quellen. Darüber hinaus stehen audio-visuelle Angebote zur Verfügung, um unterschiedliche Lernzugänge zu ermöglichen und eine adressatengerechte Differenzierung zu fördern. Die zur Sicherung der Lerninhalte eingesetzte Mystery-Methode basiert auf einem problemorientierten Ansatz, bei dem die Schülerinnen und Schüler ein zunächst rätselhaftes Phänomen oder eine spannende Leitfrage bearbeiten. Im Sinne eines problemorientierten Unterrichtsansatzes gilt es, Informationen zu sammeln, zu analysieren und auf der Grundlage des in Phase I erworbenen Wissen miteinander zu verknüpfen, um das eingangs gestellte Problem bzw. die Frage zu beantworten. Das Ergebnis der Auseinandersetzung ist eine Concept-Map, die die individuellen Denkwege, Hypothesen, Ideen und Vorstellungen der Schülerinnen und Schülern sichtbar macht. Durch die kooperative Erstellung der Concept-Map werden, neben fachlichen Kompetenzen, insbesondere auch Kommunikationsfähigkeiten, Argumentationsfähigkeit und soziale Kompetenzen gezielt gefördert. In Phase II erfolgt die Erstellung der Lernprodukte. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten kollaborativ, kreativ und während der Recherchephase auch digital. Dabei wählen sie eigenverantwortlich ihre Lerngruppe, ihren Lernweg sowie die Form des Lernprodukts nach dem Prinzip "voice & choice" und gestalten ihren Lernweg aktiv mit. Durch den selbstgesteuerten Lernweg stärken sie sowohl ihre Recherchekompetenz als auch ihr methodisches Know-how. Ein zentrales Element dieser Phase ist die kritische Auseinandersetzung mit den gesammelten Informationen, die von den Lernenden analysiert und reflektiert werden. Die Lehrkraft begleitet diesen Prozess durch formatives Feedback zu dem Arbeitsprozess sowie zu den entstehenden Lernprodukten. Zur Strukturierung der Teamarbeit stellt Material IV eine koordinierende Aufgabenübersicht in Tabellenform zur Verfügung, die als niedrigschwellige Planungs- und Organisationshilfe in Phase II dient. Ergänzend wird die Kanban-Methode (Material V) eingeführt, die die Schülerinnen und Schüler in das agile Arbeiten einführt, agile Arbeitsprozesse und die Aufgabenverteilung im Team visualisiert und als Feedbackgrundlage dient. Für Lernende, die Unterstützung bei der Themenwahl benötigen, ist eine Liste mit Themenvorschlägen beigefügt, die passende Vorschläge zur Vermittlung der "Nature of Science" enthält und fachdidaktisch erprobt ist. Die Präsentation der authentischen Lernprodukte vor der Schulgemeinschaft und ggf. einer schulexternen Öffentlichkeit in Phase III fördert sowohl die Kommunikationskompetenz als auch das Selbstwirksamkeitserleben der Schülerinnen und Schüler. Sie erleben, dass sie komplexe naturwissenschaftliche Inhalte adressatengerecht vermitteln können und sie aktiv zu gesellschaftlich relevanten Diskussionen über die Eigenschaften von Naturwissenschaften beitragen können. In die Bewertung der Lernleistung durch die Lehrkraft werden dabei mehrere Komponenten einbezogen: Berücksichtigt werden vor allem die individuellen Lernprozesse, die Qualität der Lernprodukte, die Teamarbeit sowie die Präsentationsleistung vor der Schulgemeinschaft. Den Abschluss der Einheit bildet die Retrospektive im jeweiligen Team, in deren Rahmen die Schülerinnen und Schüler reflektieren, welche neuen fachlichen, methodischen und sozialen Kompetenzen sie in der Deeper Learning-Einheit entwickelt haben. Diese Reflexionsphase dient nicht nur der individuellen Auseinandersetzung der Lernenden mit dem eigenen Lernprozess, sondern liefert auch der Lehrkraft wertvolle Impulse zur Weiterentwicklung der Unterrichtseinheit. Fachbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler erläutern das Konzept der „Nature of Science“, kennen die Möglichkeiten und Grenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung und können die zentralen Kriterien, Bedingungen und Eigenschaften wissenschaftlicher Wissensproduktion beschreiben. stellen die wissenschaftlichen Grundlagen fachwissenschaftlicher Probleme dar und ordnen diese in fachliche, historische und gesellschaftspolitische Kontexte ein. beurteilen Quellen in Bezug auf spezifische Interessenlagen. begründen die eigene Meinung kriteriengeleitet anhand von Sachinformationen, bewerten die persönliche und gesellschaftliche Tragweite und Bedeutsamkeit einzelner Forschungsprojekte im Kontext von „Nature of Science“. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen zielgerichtete Informationsrecherchen durch und wenden dabei Suchstrategien an (Medienkompetenzrahmen NRW 2.1.). filtern und strukturieren themenrelevante Informationen und Daten aus Medienangeboten, wandeln diese um und arbeiten sie auf (Medienkompetenzrahmen NRW 2.2). präsentieren Lern- und Arbeitsergebnisse sach-, adressaten- und situationsgerecht unter Einsatz geeigneter analoger und digitaler Medien, belegen verwendete Quellen, kennzeichnen Zitate und tauschen sich mit anderen konstruktiv über naturwissenschaftliche Sachverhalte auch in digitalen kollaborativen Arbeitssituationen aus. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler arbeiten ko-konstruktiv und ko-kreativ bei der Erstellung ihrer Lernprodukte. hinterfragen die von ihnen bearbeiteten Materialien kritisch und bewerten die Qualität von Informationen. kommunizieren ihre Arbeitsergebnisse sach- und adressatengerecht in ihren Gruppen und vor der Schulgemeinschaft. Beigel, J., Klopsch, B. & Sliwka, A. (2023). Deeper Learning gestalten. Ein Workbook für Lehrkräfte. Weinheim: Beltz. Open access: https://www.telekom-stiftung.de/sites/default/files/files/media/publications/deeper-learning-gestalten-workbook.pdf Deeper Learning Initiative: https://hse-heidelberg.de/hsedigital/hse-digital-teaching-and-learning-lab/deeper-learning-initiative/deeper-learning Dittmer, A. & Zabel, J. (2019) . Das Wesen der Biologie verstehen; Impulse für den wissenschaftspropädeutischen Biologieunterricht. In Groß, J. et al. (Hrsg.), Biologiedidaktische Forschung: Erträge für die Praxis. Berlin: SpringerSpektrum. Heering, P. & Kremer, K. (2018). Nature of Science. In: Krüger, D. et al. (Hrsg.), Theorien in der naturwissenschaftlichen Forschung. Berlin: SpringerSpektrum. Gebhard, U., Höttecke, D. & Rehm, M. (2017). Pädagogik der Naturwissenschaften. Ein Studienbuch. Berlin: SpringerSpektrum. Forum Bildung Digitalisierung: Community Call: Digitaltag 2023 mit Deeper Learning: Entdecken. Verstehen. Gestalten.: https://www.youtube.com/watch?v=DV387Otll_M&t=22s Kultusministerkonferenz. (o. D.). Medienbildungskompetenz - Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I .: https://www.schulministerium.nrw/sites/default/files/documents/Medienkompetenzrahmen_NRW.pdf

In dieser Unterrichtseinheit untersuchen die Lernenden mithilfe von GeoGebra AR (Augmented Reality) Objekte in verschiedenen Bewegungsformen und haben dadurch einen direkten Praxisbezug. Die vier Unterrichtsphasen beinhalten die Themen: Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit, Bewegungen mit konstanter Beschleunigung, den freien Fall und periodisch wiederholende Bewegungen. Die Unterrichtseinheit "AR in GeoGebra: Bewegungen" führt die Schülerinnen und Schüler mittels vier Arbeitsblätter in die Themen der konstanten Geschwindigkeit, der konstanten Beschleunigung, der Bewegung des freien Falls und der sich periodisch wiederholenden Bewegungen ein. In allen vier Unterrichtsphasen steht dabei die AR (Augmented Reality) in GeoGebra im Fokus. In AR wird die reale Umgebung des Lernenden um virtuelle Elemente erweitert, um eine spannende und lehrreiche Forschungsumgebung zu schaffen. Die Schülerinnen und Schüler nutzen diese eigenständig mit ihrem Smartphone und können so im Zusammenspiel, von digitalem und analogem Leben, die Vorteile der Digitalisierung doppelt nutzen. Im Verlauf der ersten Unterrichtssequenz wird das Thema der Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit behandelt. Die Lernenden erfahren dabei, wo diese Bewegungsart im alltäglichen Leben auftritt, und lernen die dazu gehörigen Formeln kennen, um die Bewegung zu beschreiben. Die zweite Unterrichtssequenz baut auf der ersten auf und führt die Lernenden in das Thema der konstanten Beschleunigung ein. Auch hier wird den Lernenden wieder die praktische Relevanz verdeutlicht, die dazugehörigen Formeln in Aufgaben geübt und mittels AR visualisiert. Die dritte Unterrichtsstunde beschäftigt sich mit den Besonderheiten des freien Falls. Die Lernenden erfahren wie sich dies auf der Erde auswirkt und können diese Bewegung mithilfe von AR durchführen. In der letzten Unterrichtssequenz werden sich periodisch wiederholende Bewegungen betrachtet, wobei die Schülerinnen und Schüler lernen, wie sich dies zum Beispiel auf ein Pendel auswirkt und mit welchen Formeln man dies berechnen kann. Auch hier kommt wieder die AR zum Einsatz, mithilfe dieser die Schülerinnen und Schüler die Bewegungen im Klassenzimmer simulieren können. Alle Unterrichtssequenzen beinhalten außerdem interaktive Übungen , bei denen die Lernenden ihr Wissen noch einmal anwenden und vertiefen können. Lehrpläne sehen in verschiedenen Bereichen die Behandlung von dem Thema der Bewegungen vor. Über Beobachten und Experimentieren sollen die unterschiedlichen Arten von Bewegungen erfasst und erkannt werden. Anhand, der hier verwendeten dynamischen GeoGebra-Dateien mit AR, können die Schülerinnen und Schüler die erstellten Bewegungen in AR mit realen Bewegungen vergleichen. Es werden in erster Linie die grundlegenden Eigenschaften der verschiedenen Arten von Bewegung beleuchtet. Mittels der H5P-Dateien können die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen überprüfen und lernen weitere Bereiche der Bewegungen kennen. Ein Blick auf die Mathematik, die zur Beschreibung der Bewegungstypen herangezogen werden kann, schließt die Einheiten jeweils ab. Fachbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler gewinnen Erkenntnisse durch den experimentellen Umgang mit AR. bewerten physikalische Verhaltensweisen mithilfe der Mathematik. erarbeiten Fachwissen und lernen Gesetzmäßigkeiten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entdecken Augmented Reality. setzen mobile Endgeräte im Unterricht ein. präsentieren digital. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler steigern ihr Selbstwertgefühl und ihre Eigenverantwortung (Rückmeldungen zu Lösungsstrategien). steigern ihre Sozialkompetenz durch die Arbeit im Team und haben dadurch die Möglichkeit Hilfsbereitschaft zu zeigen. zeigen durch offene Fragestellungen Engagement und Motivation und stoßen auf neue Ideen.

Der Beitrag zeigt zunächst, wie es durch eine elektronische Steuerung möglich wird, ein Flugzeug wie den Airbus A 380 mit größter Präzision zu steuern. Dabei werden die Eingaben der Piloten in elektrische Signale umgewandelt und an entsprechende Flugsteuerungscomputer gesendet. Im Weiteren wird das Rolls-Royce Trent 970 Triebwerk – ein hochmodernes Turbofan-Triebwerk – besprochen, das speziell für den A 380 entwickelt wurde. Die Faszination des Fliegens reicht tief in die menschliche Natur und Kultur hinein. Sie verbindet technische, emotionale und philosophische Aspekte, die das Fliegen zu einer einzigartigen Erfahrung und einer Besonderheit machen. Seit der Antike zeugen Mythen wie die von Ikarus oder Daedalus von der Sehnsucht der Menschen, wie Vögel frei durch die Lüfte zu gleiten. Erst durch das Fliegen in der Neuzeit wurde es möglich, in weit entfernte Länder in relativer kurzer Zeit zu gelangen, um deren Kulturen zu entdecken, bis dahin war dies nur mit Schiffen über extrem lange Zeiträume und verbunden mit großen Gefahren möglich. Dieser Unterrichtseinheit geht die Einheit "Physik des Fliegens – vom Auftrieb bis zum Gleitflug" voran. Physik des Fliegens – von der Steuerung bis zum Triebwerk Sowohl Steuerung als auch Triebwerk des A-380 sind Meisterwerke der Ingenieurkunst . So interpretieren Flugsteuerungscomputer die Eingaben der Piloten und berechnen damit die optimale Position aller Steuerflächen. Das Triebwerk zeichnet sich aus durch hohe Leistung, Treibstoffeffizienz und Zuverlässigkeit. Vorkenntnisse Vorkenntnisse sind aufgrund der bekannten physikalischen Zusammenhänge bei den – vermutlich – meisten Lernenden vorhanden. Die zugehörigen Gesetze beinhalten keine komplizierten Zusammenhänge. Didaktische Analyse Bei der Besprechung des Themas "Fliegen" sollten neben den technischen und naturwissenschaftlichen Aspekten in der Diskussion mit den Schülerinnen und Schülern auch ökologische und ethische Perspektiven berücksichtigt werden. Es bietet sich die Möglichkeit, neben der Vermittlung von Wissen auch gesellschaftliche und globale Herausforderungen anzusprechen. So lässt sich eine Balance zwischen Faszination und kritischer Auseinandersetzung für ein differenziertes Herangehen an das Thema ermöglichen. Methodische Analyse Die Thematik "Fliegen" lässt sich gut verständlich und nachvollziehbar vermitteln. Ohne die technischen Möglichkeiten wäre es schier unmöglich, Menschen und Fracht in den heutigen Größenordnungen zu transportieren. Moderne Flugzeugtriebwerke führen den Luftstrom zum größten Teil um das Triebwerk herum, sodass der Schub effizienter wird und gleichzeitig der Lärm reduziert wird. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können beschreiben und erläutern, welche Kräfte auf ein Flugzeug beim Kurvenflug wirken. kennen die Funktionsweise moderner Triebwerke und wissen um deren Bedeutung für verantwortungsvolles Fliegen. können anspruchsvolle Übungsaufgaben lösen und damit auch Belastungen für Passagier in Verkehrsflugzeugen, aber auch Extremsituationen für Piloten in Militärjets näher verstehen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. wertfrei diskutieren zu können.

Der Beitrag zeigt, wie es mithilfe von physikalischen Grundprinzipien wie dem Auftrieb und den Strömungseigenschaften der Luft, also den Gesetzen der Aerodynamik, der Mechanik und der Thermodynamik, Flugzeugen ermöglicht wird, sich durch die Luft bis hinauf in große Höhen zu bewegen und über viele Stunden hinweg Menschen und Fracht über Tausende von Kilometern in nahezu alle Gegenden unserer Welt zu transportieren. Die Faszination des Fliegens reicht tief in die menschliche Natur und Kultur hinein. Sie verbindet technische, emotionale und philosophische Aspekte, die das Fliegen zu einer einzigartigen Erfahrung und einer Besonderheit machen. Seit der Antike zeugen Mythen wie die von Ikarus oder Daedalus von der Sehnsucht der Menschen, wie Vögel frei durch die Lüfte zu gleiten. Erst durch das Fliegen in der Neuzeit wurde es möglich, in weit entfernte Länder in relativer kurzer Zeit zu gelangen, um deren Kulturen zu entdecken, bis dahin war dies nur mit Schiffen über extrem lange Zeiträume und verbunden mit großen Gefahren möglich. Im Anschluss an diese Unterrichtseinheit können Sie nahtlos die Einheit "Physik des Fliegens – von der Steuerung bis zum Triebwerk" anschließen. Das Thema behandelt den Weg vom Auftrieb bis hin zum Gleitflug, etwa bei Segelflugzeugen. Im Gegensatz zum Auftrieb bei Start und Horizontalflug, für den eine Antriebskraft nötig ist, nutzt der Gleitflug eine leichte Abwärtsneigung, bei der ein Teil der potentiellen Höhenenergie in Bewegungsenergie umgewandelt wird und damit die Vorwärtsbewegung ohne eigene Antriebskraft ermöglicht. Diesen relativ einfachen und leicht darstellbaren Zusammenhang können Schülerinnen und Schüler gut nachvollziehen und somit auch das allen bekannte Segelfliegen verstehen. Vorkenntnisse Vorkenntnisse sind aufgrund der bekannten physikalischen Zusammenhänge bei den – vermutlich – meisten Lernenden vorhanden. Die zugehörigen Gesetze beinhalten keine komplizierten Zusammenhänge. Didaktische Analyse Bei der Besprechung des Themas "Fliegen" sollten neben den technischen und naturwissenschaftlichen Aspekten in der Diskussion mit den Schülerinnen und Schülern auch ökologische und ethische Perspektiven berücksichtigt werden. Es bietet sich die Möglichkeit, neben der Vermittlung von Wissen auch gesellschaftliche und globale Herausforderungen anzusprechen. So lässt sich eine Balance zwischen Faszination und kritischer Auseinandersetzung für ein differenziertes Herangehen an das Thema ermöglichen. Methodische Analyse Die Thematik "Fliegen" lässt sich gut verständlich und nachvollziehbar vermitteln. Zudem ist es möglich, anhand einfachster Modelle wie etwa selbst gefaltete Papierflieger oder auch anderer einfacher Flugmodelle die Funktionsweise, wie ein Flugzeug prinzipiell zum Fliegen kommt, zu verstehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die entscheidende Bedeutung von Auftrieb und Strömung für das Fliegen. können die verschiedenen Kräfte, die auf ein Flugzeug in den unterschiedlichsten Flugsituationen wirken, beschreiben und ihr Ineinandergreifen genau zuordnen. können anspruchsvolle Übungsaufgaben lösen und damit auch Belastungen für Passagier in Verkehrsflugzeugen, aber auch Extremsituationen für Piloten in Militärjets näher verstehen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partnerarbeit und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit unter anderem anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Ein Rastertunnelmikroskop (RTM) oder Scanning Tunneling Microscope (STM) ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Betrachtung und näheren Untersuchung von Oberflächen auf der Ebene von atomaren Strukturen. Aufgrund seiner Fähigkeit, Oberflächen auf atomarer Ebene untersuchen zu können, ist das RTM auf vielen Forschungsfeldern unverzichtbar geworden. Dazu gehören unter anderem die Oberflächenanalyse, Materialforschung, Nanotechnologie sowie die Elektronik und Quantenphysik. Das RTM funktioniert nach dem Prinzip des Quantentunneleffektes, wobei es eine extrem feine Spitze von wenigen Nanometern Durchmesser (oft nur so breit wie ein Atom ) verwendet. Anhand aussagekräftiger Grafiken, Animationen und Videos werden die Lernenden an die Funktionsweise eines RTM hingeführt. Die bereits bekannten Gesetzmäßigkeiten zum Tunneleffekt finden beim RTM ihre Anwendung und dienen dazu, Berechnungen zum groben Verständnis des komplexen Gerätes anzustellen. Das Rastertunnelmikroskop – eine Anwendung des Tunneleffektes Die Besprechung der Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops dient dazu, den Tunneleffekt in seiner praktischen Anwendung den Lernenden näherzubringen. Mit einem RTM kann ein präzises Relief einer Materialoberfläche sichtbar gemacht werden. Mit dem möglichen Auflösungsvermögen können klassische Lichtmikroskope um das Tausendfache übertroffen werden, sodass selbst einzelne Atome eines Materials sichtbar gemacht werden können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können vorausgesetzt werden, wenn der zugrundeliegende Tunneleffekt im Unterricht besprochen wurde. Damit lassen sich einfache Übungsaufgaben lösen, die einen Einblick in die Möglichkeiten des RTM bieten. Didaktische Analyse Die Behandlung des interessanten Themas mithilfe von computergenerierten Mikroskopbildern, die teilweise faszinierende Landschaften von eigener Ästhetik zeigen, kann durchaus dazu dienen, den Schülerinnen und Schülern ein Bild von der Besonderheit naturwissenschaftlicher Forschung näherzubringen. Methodische Analyse Das Thema RTM sowie der zugrundeliegende Tunneleffekt in der Quantenphysik sind schwierige Themen. Dennoch ist es möglich, durch vielfältiges Bildmaterial und entsprechend nachvollziehbare Gesetzmäßigkeiten den Lernenden zu zeigen, dass solche Themen trotzdem in ihrer prinzipiellen Form verstanden werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Funktionsweise eines RTM beschreiben und erläutern. wissen um die Bedeutung solcher Präzisionsgeräte für die naturwissenschaftliche Forschung. können ergänzende Übungsaufgaben berechnen und damit die Zusammenhänge bei der Funktionsweise eines RTM besser verstehen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. diskutieren zu können.