Die „Energiequadriga“ und der Bildungsplan

Ein fachdidaktisch sicheres Fundament: Die Energiequadriga

Die „Energiequadriga“ fasst vier Grundideen zusammen, die zusammen den Energiebegriff gut charakterisieren. Der Bildungsplan Physik 7/8 spricht hier von „grundlegenden Eigenschaften der Energie“ – was auch der Energiequadriga entspricht. Das Konzept geht davon aus, dass diese Ideen aus dem Vorwissen der Schülerinnen und Schüler entwickelt werden.
Folgende vier Grundideen bilden die Energiequadriga:

Quelle ZGP BNT

• Energie wird gespeichert.
  Ausgangspunkt sind die „Energieträger“ des Alltags wie Nahrung und Brennstoffe. Von hier ausgehend kommt man zu den klassischen Energieformen wie Bewegungsenergie, innere Energie oder Lageenergie und deren Umwandlungen innerhalb eines Systems .
• Energie wird übertragen.
  Energie kann von einem System auf ein anderes übertragen werden. Das kann auf verschiedene Weisen geschehen: z.B. thermisch („Wärme“) durch Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung, mechanisch („mechanische Arbeit“) durch Kräfte und elektrisch („elektrische Arbeit“) durch elektromagnetische Felder
• Energie bleibt erhalten.
  Egal, in welcher Form die Energie in einem System gespeichert wird oder wie sie auf ein anderes System übertragen wird: Insgesamt bleibt die Energie erhalten. Das ist Grundlage für den „Energieerhaltungssatz der Mechanik“ und den „Ersten Hauptsatz der Thermodynamik“.
• Energie wird im Laufe der Zeit entwertet.
  Durch unvermeidliche irreversible Vorgänge (z.B. bei der Reibung) wird die Energie in thermische Energie umgewandelt und/oder auf die Umgebung verteilt. Auch wenn die Energie dabei insgesamt erhalten bleibt, ist sie dadurch immer weniger für den Menschen nutzbar. Der Aspekt ist grundlegend für das Verständnis der „Energiekrise“, des „Energiesparens“ u.a.

Anhand von Energieübertragungsketten können diese Grundideen gut entwickelt werden. Als grafische Darstellung bieten sich hier Energieflussidagramme an. Diese setzen bei der Vorstellung von Energie als „Treibstoff“. Das ist zwar ein sehr begrenztes Bild, daher nur propädeutisch, aber später „eine tragfähige Basis zum Verständnis der Idee der Energie-Erhaltung“ (Duit).
Bei einer Energieübertragungskette betrachtet man eine Situation unter der speziellen Perspektive der Energieübertragung:

Eine Energieübertragungskette (C. -J. Pardall)

Hier wird z.B. die Energie von der Sonne auf die Solarzelle übertragen, die die Energie an den Elektromotor weitergibt, der sie über den Propeller an die bewegte Luft weitergibt. Ein entsprechendes Energieflussdiagramm könnte im BNT-Unterricht folgendermaßen aussehen:

Ein Energieflussdiagramm

Am Anfang und Ende eines Energieflussidagramms stehen häufig Energiespeicher. Systeme, die die Energie nur weitergeben und nicht speichern, wie z.B. der Elektromotor, nennt man Energiewandler.

Energie im gymnasialen Bildungsplan der Naturwissenschaften

Die Teilkompetenzen zum Energiebegriff aus den Fächern BNT, Biologie, Chemie, Physik und NwT lassen sich jeweils den vier Grundideen zuordnen. Darin zeigt sich, dass das Konzept der Energiequadriga sehr gut geeignet ist, den Kompetenzzuwachs der Schülerinnen und Schüler im Sinne des Bildungsplans zu strukturieren.
Im Folgenden werden hier die Übersichten zu BNT und Physik betrachtet, da sich Physik in Klassen 7/8 direkt mit einem entsprechenden Kompetenzbereich (3.2.3 Energie) an BNT anschließt. In den Bildungsplänen der anderen naturwissenschaftlichen Fächer wird auf „Energie effizient nutzen“ in folgenden Kompetenzbereichen aufgebaut:

Die Energiequadriga im Bildungsplan BNT und Physik 7/8

Man erkennt an der Zusammenstellung den Schritt von einem propädeutischen Energiebegriff in BNT zu „den grundlegenden Eigenschaften der Energie“ (Physik 7/8). Für die Energiequadriga werden mit der Übersicht folgende Aspekte deutlich:

• Energie wird gespeichert.
• Im BP BNT werden ausschließlich Energiespeicher aus dem Alltag benannt (Nutzpflanzen, Kerzenwachs,…).
• Im BP Physik 7/8 werden dann Beispiele für Energieformen eingeführt.
• Energie wird übertragen.
• Im BP BNT wird nicht zwischen mech./el./therm. Übertragung von Energie unterschieden. Es werden nur die drei thermischen Energieübertragungsmöglichkeiten phänomenologisch behandelt.
• Im BP Physik 7/8 wird zwischen den Übertragungsarten unterschieden. Mit der Leistung wird eine Größe zur Quantifizierung der Übertragung eingeführt.
• Energie bleibt erhalten.
• Im BP BNT kommt dieser Aspekt nicht vor.
• Im BP Physik 7/8 wird „Energieerhaltung“ explizit als eine der „grundlegenden Eigenschaften der Energie“ explizit genannt. Offensichtlich soll sie genau hier eingeführt werden.
• Energie wird im Laufe der Zeit entwertet.
• Im BP BNT wird der Aspekt nur über den „sorgsamen Umgang mit Energie“ angesprochen. Wegen der Leitperspektive BNE ist der Aspekt trotzdem wichtig.
• Im BP Physik 7/8 wird die Erklärung durch die „Umwandlung in thermische Energie“ gegeben und mit dem Wirkungsgrad der Anteil „nutzbarer Energie“ quantifiziert. (In 9/10 behandelt man dann irreversible Vorgänge.)
• Energieübertragungsketten werden sowohl in BNT als auch Physik genannt

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