Simulationen

PISA

PISA lehrt uns: Eine physikalische Grundbildung besteht darin, physikalisches Wissen zu erwerben und anzuwenden, physikalische Fragen zu erkennen und aus Belegen Schlussfolgerungen zu ziehen, um Entscheidungen zu verstehen und zu treffen, die die natürliche Welt und die durch menschliches Handeln an ihr vorgenommene Veränderungen betreffen.
Betrachtet man den üblichen Standardunterricht der 70er-Jahre – die Schülerinnen und Schüler lernen mehr oder weniger verständliche Formeln für die nächste Klassenarbeit, um sie anschließend sofort wieder zu vergessen –, darf man sich nicht wundern, dass wir in der PISA-Studie nicht besser abgeschnitten haben. Nachhaltigkeit, sinnstiftende Inhalte, Denken in Strukturen ... all das wurde nicht hinreichend deutlich verlangt und auch nicht eingefordert. Es war bisher nicht üblich, dass die Schülerinnen und Schüler bei der Behandlung eines Themas B gemerkt haben, dass ihnen die Fachmethoden und das Wissen aus dem Thema A, das zuvor behandelt wurde, helfen. Wir erreichen unsere Schülerinnen und Schüler nur dann, wenn sie den Kompetenzzuwachs selbst wahrnehmen.
Welche Rolle spielen die neuen Medien in dieser Entwicklung?

PHYSIK-BILDUNGSSTANDARD

Im Bildungsstandard steht: Physikalisches Wissen besteht nicht nur aus Faktenwissen und aus der Kenntnis von Bezeichnungen, Begriffen und „Formeln“. Ganz entscheidend ist das Verständnis von grundlegenden physikalischen Konzepten und Modellen, deren Tragfähigkeit ständig hinterfragt werden muss, um die Grenzen physikalischen Denkens erkennen zu können. Schlussfolgerungen zu ziehen, bedarf der Fähigkeit, Informationen und Daten zu kennen, auf der Grundlage physikalischer Gesetze zu beurteilen, auszuwählen und anzuwenden....
Die Bildungsstandards sind keine Lehrpläne und legen keine Methoden fest, sie formulieren nur Kompetenzen (Fachmethoden und Inhalte). Diese anspruchsvollen Lernziele können bei einer intelligenten Organisation des Unterrichts, in dem die Methodenkompetenter der Lehrkraft eine ganz entscheidende Rolle spielt, erreicht werden. Methodenkompetenz bedeutet u.a. die Fähigkeit einen schülerzentrierten, fragend-erarbeitenden Unterricht, Lehrervortrag, Teamarbeitsphasen, Stillarbeit, Praktikum, Schülerpräsentationen, offene Aufgabenstellungen, Kreativitätsphasen, Rollenspiele und nicht zuletzt „neue Medien“ in seiner Unterrichtsplanung zu berücksichtigen.
Es soll nicht selten vorkommen, dass die „Glaubwürdigkeit“ einer Physik-Lehrkraft davon abhängt, wie genau die Messwerte ausfallen. Wie viele Lehrkräfte manipulieren die Messanordnung, damit ihre „experimentelle Autorität“ nicht in Frage gestellt wird. Wie viele Lehrproben hängen an einem seidenen Faden, weil die Stunde so geplant wurde, dass ihr Erfolg vom Gelingen oder Misslingen des Experiments abhängt. Welchen Wert hat diese Art von Unterrichtsstunden, selbst wenn das Experiment gelingt? Welchen Wert hat diese Show aus dem Blickwinkel physikalischer Fachmethoden? Diese Show sollten wir den Fernsehanstalten überlassen, die können es nämlich wesentlich besser!
Mit dieser Angst vor dem Misslingen des Experiments spielen nun einige Verlage und steigen in das Simulationsgeschäft ein. Vorausgesetzt, die Lehrkraft kann einen Computer bedienen, hat die richtige Graphik- und Soundkarte zur Verfügung, kann den Beamer bedienen und die verschiedenen Geräte-Parameter aufeinander abstimmen, dann gelingt eine Simulation immer. Aber welchen Wert hat diese Art von Unterricht? Die Realshow wird durch eine virtuelle Welt ersetzt und wo bleibt die Physik?
Es wäre ein schlechter Tausch, wenn wir das lehrerzentrierte suggestive Frage-Antwort-Spiel (.. in dem die Schülerinnen und Schüler nicht das sagen, was sie denken, sondern das formulieren, von dem sie vermuten, dass es der Lehrer hören will...) durch eine virtuelle Show ersetzen – das kann wohl kaum eine mögliche Lösung sein, um die anspruchsvolle Definition von PISA und die Lernziele des Bildungsstandards zu erfüllen.

NATURWISSENSCHAFTLICHE ARBEITSWEISE

Im Bildungsstandard steht bei den Fachmethoden:
Die Schülerinnen und Schüler können

• die naturwissenschaftliche Arbeitsweise (Hypothese, Vorhersage, Überprüfung im Experiment, Bewertung ...) anwenden.
• ...

Will man den Unterricht im Sinne der naturwissenschaftliche Arbeitsweise organisieren, so beginnt die Stunde z.B. mit einer Zielformulierung (... so offen wie möglich und so konkret wie notwendig...). Die Klasse und der Lehrer führen einen Dialog und formulieren Hypothesen; hierbei lenken die Schülerinnen und Schüler den Unterricht ... Sackgassen sind zulässig, in dieser Phase gibt es keine „falschen Hypothesen“, die der Lehrer ganz schnell aussondert – bzw. „überhört” –, um möglichst schnell sein Lernziel zu erreichen. Die diskutierten Hypothesen führen zu Vorhersagen, die im Experiment überprüft werden können. Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass im Experiment ihre Vorhersagen falsifiziert oder verifiziert werden. Sie wissen, dass im Falle einer Falsifizierung ihrer Vorhersage, die zu Grunde liegende Hypothese falsch war – UND sie wissen, dass bei einer Verifizierung ihrer Vorhersagen noch lange kein Beweis vorliegt, dass damit nur das Vertrauen in diese Hypothese gestärkt wird ...

EXPERIMENT UND PRÄSENTATION

Im Idealfall werden diese Experimente zur Überprüfung der Hypothesen in einer Physiksammlung vorhanden sein und eventuell in einem Praktikum von den Schülerinnen und Schülern selbstständig ausgeführt – Fehler diskutiert, eine Dokumentation verfasst und die Ergebnisse der Klasse mit mehr oder weniger „neuen Medien“ präsentiert.

SIMULATOREN

Bei einigen Themenstellungen sind Schulexperimente prinzipiell nicht möglich (z.B. Experimente der Raumfahrt), finanziell nicht erschwinglich oder gefährlich (z.B. Experimente im Bereich der Kernphysik). Bei diesen Randbedingungen greifen andere Möglichkeiten – so z.B. könnten die Schülerinnen und Schüler im Internet nach Ergebnissen selbst suchen, Experten befragen oder die Lehrkraft liefert den Abschluss dieser „Arbeitskette“ in einem Lehrerreferat – ODER die Schülerinnen und Schüler greifen zu einem Simulationsprogramm.

RECHEN-SIMULATOREN

Bei der Verwendung eines Simulators kann man zwei Varianten unterscheiden. – so genannte „Rechen-Simulatoren“ und „Realexperiment-Simulatoren“. Ein „Rechen-Simulator“ berechnet seine Bildschirmausgabe auf der Basis des Naturgesetzes, das er darstellen will. Diese Art von Simulator hat im besten Falle – und der ist leider nicht immer erfüllt – den Charakter einer Veranschaulichung. Es sollte deutlich werden, dass ein Simulator dieser Art in keinem Fall zur Vertrauensbildung bezüglich einer Hypothese beitragen kann. Nur die Tatsache, dass ein Verlag viel Geld investiert hat, um diesen Simulator zu programmieren und der Umstand, dass der Physiklehrer diesen Simulator für teures Geld erworben hat und im Unterricht einsetzt, führt zu einem gewissen Vertrauensbeweis in einem nicht-naturwissenschaftlichen Sinne – mehr aber auch nicht.
So z.B. kann ein „Rechensimulator“ für Einzelphotonenexperimente am Doppelspalt, der die Interferenzmuster bei verschiedenem Spaltabstand und Einzelspaltgröße berechnet und animiert darstellt, die komplexen Zusammenhänge verdeutlichen und damit eine methodische Hilfestellung sein, auch wenn er nicht mehr zeigt, als die Gesetze hergeben, nach denen er programmiert wurde. Seine Stärke liegt in diesem Fall in der dynamischen Darstellung verbal gebotenen Zusammenhänge und „statischer Bilder“.

REALEXPERIMENT-SIMULATOREN

„Realexperiment-Simulatoren“ berechnen ihre Bildschirmausgaben nicht auf der Basis eines Gesetzes, das sie veranschaulichen wollen, sondern sie bestehen im Prinzip aus einer Sammlung von Photographien eines Realexperiments, die auf dem Computer nur schnell und bedienungsfreundlich dargestellt werden. So z.B. liefert ein „Realexperiment-Simulator“ für Einzelphotonenexperimente bei dem oben angesprochenen Doppelspalt eine Reihe von Photographien eines Realexperiments und hat damit mindestens die Aussagekraft eines Schulbuchs, in dem diese Interferenzmuster abgebildet sind und kann daher gewisse Aspekte der Verifikation bei Vorhersagen in der „naturwissenschaftlichen Schlusskette“ abdecken. Diese Realexperiment-Simulatoren wirken zudem - wenn sie gut programmiert sind – motivierend und anschaulich.

MODELLBILDUNGSSYSTEME

Im Bildungsstandard steht bei den Fachmethoden:
Die Schülerinnen und Schüler können

• Modellbildungssysteme bei einfachen Beispielen einsetzen und die Ergebnisse reflektieren.

Der Bildungsstandard verlangt verpflichtend den Einsatz der sogenannte „Modellbildungssysteme“, die in der Phase der Hypothesenbildung eine wichtige Rolle spielen können. Wenn die Zielsetzung des Unterrichts z.B. die Behandlung einer harmonischen Schwingung ist, wird man die Differenzialgleichung der Mechanik (F=m*ds/dt) mit der Rückstellkraft (F = -D*s) verbinden und die resultierende Differenzialgleichung geschlossen lösen. Im Realexperiment stellen die Schülerinnen und Schüler schnell fest, dass sowohl die Dämpfung als auch die Abhängigkeit der Periode von der Amplitude in dieser geschlossenen Lösung des „Idealfalls“ nicht enthalten ist. Sie können in dieser Modellbildungssoftware diesen Realfall, den sie mit der Schulmathematik nicht mehr geschlossen lösen können, „modellieren“, die Parameter am Realexperiment eichen und die Ergebnisse des „Modellbildungssystems“ mit dem Realexperiment vergleichen. Die Betonung der Reflexion der Modellierung und der Passgenauigkeit hat hierbei einen besonderen Stellenwert.
Vor allem bei komplexen Problemstellungen haben sich diese Modellbildungssysteme gut bewährt. Zudem kann dieser Einsatzbereich die physikalische Intuition schulen. Vor allem wenn die Modellbildung ein Diagramm liefert, bei dem die Interpretation nicht trivial ist.

HAUSARBEITSBEREICH

Für die Vor- oder Nachbereitung eines Realexperiments in der Hausarbeit oder für eine kurze anschauliche Demonstration innerhalb einer Präsentation gibt es z.T. Argumente, einen Simulator – Rechen- oder Realexperiment-Simulator – einzusetzen.

LERNSOFTWARE

Es gibt didaktische Ansätze, die den Einsatz einer Physik-Lernsoftware innerhalb der Hausarbeit im Sinne eines „Vokabeltrainers“ befürworten. Wenn diese Software darauf abzielt, physikalische Fachmethoden zu schulen, wäre das ein positiver Ansatz. Wenn diese Software aber z.B. nur dazu dient, irgendwelche Naturgesetze, Formeln usw. auswendig zu lernen, gewissermaßen „einzutrichtern“, hat diese Art von Lernsoftware innerhalb der Physik mit Sicherheit sehr kurze „didaktische Beine“.

Franz Kranzinger

Neue Medien in Physik