Fachdidaktisches Konzept

Energie im naturwissenschaftlich-technischen Unterricht

¹„It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is.“
Richard Feynman, Lectures on physics

Durch den inhaltsbezogenen Kompetenzbereich „Energie effizient nutzen“ im Fächerverbund Biologie, Naturphänomene und Technik (BNT) wird der Energiebegriff deutlicher und früher im naturwissenschaftlich-technischen Unterricht verankert als bisher. Dafür gibt es gute Gründe:

Energie ist einer der zentralen Fachbegriffe in den Naturwissenschaften und der Technik.
Energie ist ein wichtiger Begriff im politisch-gesellschaftlichen Diskurs.
Man denke z.B. an die „Energiewende“ oder die „erneuerbare Energien“.

Die frühe Einführung erlaubt das Entwickeln eines tragfähigen Fundaments und darauf aufbauend eine Vernetzung zwischen den Fächern, die ausgeprägter ist als im bisherigen Bildungsplan. Das spiegelt die Bedeutung der Energie als naturwissenschaftlich-technischer Fachbegriff wider. Seine weitergehende Bedeutung spiegelt sich in auch den Leitperspektiven des Bildungsplans wider, insbesondere bei der Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE), aber auch bei der Verbraucherbildung (VB).
Aus diesen Überlegungen ergeben sich zwei zentrale Ziele des Unterrichts über Energie in BNT:

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln eine fachlich korrekte, anschlussfähige und belastbare Grund-Vorstellung zum Konzept „Energie“.
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln im Sinne der Leitperspektive BNE ein Verständnis für den sorgsamen Umgang mit Energie.

Die „Energiequadriga“ und der Bildungsplan

Der Unterricht über Energie findet in dem Spannungsfeld zwischen dem Alltags- und dem Fachbegriff „Energie“ statt: Der Alltagsbegriff „Energie“ steht dem Fachbegriff nahe, wird aber auch häufig unscharf oder fachlich falsch verwendet. Fachlich gesehen ist Energie schwer zu fassen. Ein Grund hierfür ist, dass es kein einfaches Messverfahren gibt, um die gesamte Energie, die in einem Körper gespeichert ist, zu bestimmen. So ein Verfahren ist bei den meisten anderen physikalischen Größen die Grundlage einer Definition. (Z.B. lässt sich die Masse eines Körpers prinzipiell durch das Vergleichen mit einem geeichten Wägesatz bestimmen.) Dieses Vorgehen ist für die Energie nicht möglich.

Die Didaktik bietet daher folgenden Ansatz an: Die Schülerinnen und Schüler entwickeln ein Verständnis der Energie im handelnden Umgang mit ihr, bei dem sie ihre grundlegenden Eigenschaften nach und nach kennen lernen. (Ähnlich wie man einen Menschen auch nur durch den Umgang mit ihm kennen lernt und nicht durch „Definition“.) Diese Idee setzt die „Energiequadriga“ um, die auf R. Duit zurückgeht (s. 2.1).² Sie ist anschlussfähig, fachdidaktisch allgemein akzeptiert und entspricht der vom Bildungsplan intendierten Kompetenzentwicklung (s. 2.2). Welche Teile der Energiequadriga im BNT-Unterricht umgesetzt werden (und welche nicht), wird in 2.3 dargestellt.

¹ R. Feynman, R. Leighton, M. Sands: The Feynman Lectures on Physics, Vol. I. Reading 1963, 4-2
Die „Feynman-Lectures“ sind ein Standardwerk der universitären Physik.

² Eine kompakte Darstellung des Konzepts findet man unter: R. Duit: Energie – Ein zentraler Begriff der Naturwissenschaften und des naturwissenschaftlichen Unterrichts. NiU Physik 101 (2007), 4-7
Inzwischen nutzt man auch in der Biologie die Energiequadriga als fachdidaktisches Fundament. „Unterricht Biologie 411/412 (2016)“ beschäftigt sich z.B. ausgehend hiervon mit „Energie in der Biologie“.

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