Physikdidaktik | Methoden und Inhalte.

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Vorwort zur 4. Auflage Inhaltsverzeichnis Autorenverzeichnis 1 Empirische Forschung in der Physikdidaktik 1.1  Grundlagen empirischer Forschung 1.2  Das Untersuchungsfeld der Didaktik der Physik 1.3  Theorie und Evidenz 1.4  Kriterien der Glaubwürdigkeit 1.4.1  Objektivität 1.4.2  Reliabilität 1.4.3  Validität 1.4.4  Signifikanz 1.4.5  Relevanz und Effektstärke 1.5  Das Untersuchungsdesign und die Stichprobe 1.5.1  Deskription und Korrelation – über internationale Vergleichstests 1.5.2  Intervention und Kausalität – experimentelle und quasi-experimentelle Forschung 1.5.3  Längsschnitt und Quasi-Längsschnitt 1.5.4  Zur Auswahl der Stichprobe 1.6  Analyse von Unterricht 1.7  Unterrichtsvideografie 1.8  Abschließende Bemerkungen Literatur 2 Qualitative Forschung in den naturwissenschaftlichen Fachdidaktiken 2.1  Planung eines qualitativen Forschungsprojektes – ein erster Überblick 2.2  Erster Schritt: Theoretische Fundierung eines Forschungsprojektes 2.3  Zweiter Schritt: Datenerhebung 2.3.1  Festlegung des Samples 2.3.2  Festlegung der Datenerhebungsmethode 2.3.3  Festlegung der technischen Unterstützung 2.4  Dritter Schritt: Datenauswertung 2.4.1  Festlegung der Datenauswertungsmethode 2.4.2  Festlegung der technischen Unterstützung 2.5  Allgemeines zur Dateninterpretation 2.6  Überprüfung der Gütekriterien 2.7  Fazit Literatur 3 Aus- und Fortbildung von Physiklehrerinnen und Physiklehrern 3.1  Lehrerausbildung 3.1.1  Besonderheiten in der Lehrerausbildung in der Bundesrepublik Deutschland 3.1.2  Die Vereinbarung von Bologna: Bachelor und Master 3.1.3  Lehrerausbildung und Unterrichtskompetenz 3.1.4  Reform der Studieninhalte 3.1.5  Schulpraktische Studien 3.1.6  Die zweite Phase der Lehrerbildung 3.2  Lehrerfortbildung 3.2.1  Lernen im Beruf 3.2.2  Kriterien für erfolgreiche Lehrerfortbildung 3.2.3  Bundesweite Fortbildungsprogramme 3.2.4  Regionale Lehrerfortbildung 3.2.5  Schulinterne Lehrerfortbildung 3.2.6  Unterrichtsvideos in der Lehrerausbildung 3.3  Zusammenfassung und Ausblick Literatur 4 Kompetenzen und Anforderungen an Lehrkräfte 4.1  Professionskompetenz 4.1.1  Motivationale Orientierungen 4.1.2  Selbstregulative Fähigkeiten Umgang mit persönlichen Ressourcen Lernstrategien 4.1.3  Überzeugungen und Werthaltungen Unterricht, subjektive Theorien und Reflexion Überzeugungen von Physiklehrkräften 4.2  Professionswissen 4.2.1  Fachwissen 4.2.2  Fachdidaktisches Wissen 4.2.3  Zusammenhang zwischen Fachwissen, fachdidaktischem Wissen und Unterricht 4.2.4  Pädagogisches Wissen 4.3  Fazit Ergänzende Literatur Literatur 5 Schülerlabore 5.1  Labore als außerschulische Lernorte: Erfolgsgeschichte einer Bildungsinnovation 5.2  Komplexe Lernumgebung: Einheit in der Vielfalt von Schülerlaborkonzepten 5.2.1  Gemeinsame Ziele und Gestaltungsmerkmale 5.2.2  Fachspezifische Differenzierungen der Angebote 5.2.3  Schülerlabore – ein deutsches Phänomen? 5.2.4  Begriffsklärung und Kategorien von Schülerlaboren 5.3  Schülerlabore in der Praxis 5.3.1  Lernen im klassischen Schülerlabor 5.3.2  Forschen im Schülerforschungszentrum 5.3.3  Lehren und Lernen im Lehr-Lern-Labor 5.3.4  Das DLR_School_Lab Oberpfaffenhofen – ein besonderer außerschulischer Lernort 5.4  Wirkungsforschung: Die kontraintuitive Effektivität der Laboraktivitäten 5.5  Folgerungen für modernen Physikunterricht: Eine Renaissance des erfahrungsbasierten Lernens? 5.5.1  Experimente als Werkzeuge und Flügel des Geistes 5.5.2  Lernen durch Experimentieren: Ist-Zustand 5.5.3  Gestaltung von Laborprojekten: Gelingenskriterien für forschendes Lernen 5.5.4  Forschend lernen: Unterrichtsmuster verändern 5.6  Die Hefe im Teig: Brauchen wir auch künftig Schülerlabore? Literatur 6 Nature of Science – Über die Natur der Naturwissenschaften lernen 6.1  Über die Natur der Naturwissenschaften lernen – Ziele und Inhalte 6.1.1  Naturwissenschaften und Wirklichkeit Erkenntnistheoretische Probleme Naturwissenschaftsdidaktische Auffassungen und Ziele 6.1.2  Was sind Naturwissenschaften? Wissenschaftstheoretische Aspekte Wissenschaftstheoretische Inhalte und Ziele 6.1.3  Technik- und wissenschaftsethische Aspekte Technik und Technikfolgen Technik- und wissenschaftsethische Leitideen 6.2  Standardmethoden der Naturwissenschaften 6.2.1  Zur induktiven Methode 6.2.2  Zur hypothetisch-deduktiven Methode 6.2.3  Naturwissenschaften als abstrakte und historische Tradition 6.3  Theoriebildung in der Physik – Modellbildung im Physikunterricht 6.3.1  Über Theoriebildung in der Physik 6.3.2  Über Modellbildung im Physikunterricht 6.3.3  Anmerkungen zur Bedeutung von Experimenten in der Physik und im Physikunterricht 6.4  Über die Natur der Naturwissenschaften lernen 6.4.1  Ansichten über die Natur der Naturwissenschaften 6.4.2  Warum NOS im Unterricht thematisieren? 6.4.3  Inadäquate Ansichten über NOS 6.4.4  Adäquate Ansichten über NOS 6.4.5  Warum es schwierig ist, von eindeutig adäquaten Ansichten zu sprechen 6.4.6  NOS im Unterricht vermitteln 6.4.7  Zusammenfassung Literatur 7 Quantenphysik 7.1  Vorbemerkungen 7.2  Experimente der Quantenphysik 7.2.1  Experimente, die mit Quantelung erklärt werden können 7.2.2  Experimente, die man stochastisch beschreibt 7.2.3  Experimente, die man mit Interferenz erklärt 7.2.4  Experimente zum Komplementaritätsprinzip 7.3  Vorstellungen zur Quantenphysik 7.3.1  Quantenobjekte als kleine Kügelchen 7.3.2  Quantenobjekte als Wellen 7.3.3  Welle oder Kügelchen, je nach Experiment 7.3.4  Etwas verteiltes Stoffliches 7.3.5  Die Kopenhagener Interpretation 7.3.6  Unbestimmtheit und Schrödingers Katze 7.3.7  Zur Nichtlokalität 7.4  Formalismen für Vorhersagen 7.4.1  Ein verbaler Formalismus für Interferenz und Komplementarität 7.4.2  Der Zeigerformalismus 7.4.3  Der Formalismus mit den Wahrscheinlichkeitspaketen 7.4.4  Lösen der stationären Schrödinger-Gleichung 7.5  Abschließende Bemerkungen Literatur 8 Elementarteilchenphysik in der Schule 8.1  Elementarteilchenphysik im Überblick 8.1.1  Experimentelle Methoden 8.1.2  Die Materiebausteine des Standardmodells 8.1.3  Die fundamentalen Kräfte im Standardmodell 8.1.4  Die Entdeckung des Higgs-Bosons 8.1.5  Neutrinos 8.1.6  Verletzung der CP-Symmetrie 8.1.7  Existenz von Dunkler Materie 8.2  Inhalte für den Unterricht 8.3  Erkenntnismethoden und experimentelle Herausforderungen der Teilchenphysik 8.3.1  Teilchenbeschleuniger 8.3.2  Detektoren 8.4  Feynman-Diagramme als spezielle Beschreibung in der Teilchenphysik 8.5  Ausgewählte Beispiele für den Unterricht 8.5.1  Beschleunigerexperimente und das „Prinzip des Sehens“ 8.5.2  Auswahl von Ereignissen Weiterführende Literatur 9 Astronomie im Unterricht 9.1  Wissensstand in der Astronomie 9.2  Offene Fragen in Astronomie und Kosmologie 9.3  Für den Unterricht 9.4  Erkenntnismethoden der Astronomie 9.5  Spezielle Beschreibungs- und Darstellungsweisen in der Astronomie 9.5.1  Das Hertzsprung-Russell-Diagramm 9.5.2  Die Himmelskarte 9.5.3  Falschfarbenfoto aus der Röntgenastronomie 9.6  Ein ausgewähltes Beispiel für den Unterricht: Helligkeit und Distanzmessung Weiterführende Literatur 10 Chaos und Strukturbildung 10.1  Deterministisch und unvorhersagbar 10.2  Chaotische Schwingungen 10.2.1  Das exzentrische Drehpendel 10.2.2  Das chaotische Überschlagspendel 10.2.3  Der chaotische Prellball 10.2.4  Elektromagnetische Schwinger 10.2.5  Chaotisches Wasserrad 10.2.6  Der tropfende Wasserhahn 10.3  Dissipative Strukturen 10.3.1  Bénardkonvektion als dissipative Struktur 10.3.2  Sand als dissipative Struktur 10.3.3  Dissipative Strukturbildung bei der Entstehung von Flussnetzwerken 10.4  Fraktale 10.4.1  Elemente der fraktalen Geometrie 10.4.2  Fraktale als physikalische Objekte 10.4.3  Fraktale als nichtlineare Systeme 10.4.4  Fraktale als Thema des Physikunterrichts 10.5  Nichtlineare Physik im Unterricht Literatur 11 Wege in die Nanowelt: Skalierungs- und Strukturprinzipien, Werkzeuge der Erkenntnisgewinnung, Modelle und Experimente 11.1  Mikro, Nano und technologischer Wandel 11.2  Bilder eines komplexen Nanokosmos 11.3  Reisen in die Nanowelt: Skalierungen 11.3.1  Hören in der Zwergenwelt 11.3.2  Augen für die Zwergenwelt 11.4  Tastend in die Nanowelt: rastermikroskopische Abbildungsverfahren 11.4.1  Die Blackbox erkunden und modellieren: Bohrs Spazierstock als Werkzeug der Erkenntnisgewinnung 11.4.2  Rastertunnelmikroskopie: Prinzip und Nahfeldabbildung im akustischen Modell 11.4.3  Computergestützte Abtastung und Visualisierung von Messdaten 11.4.4  Der Sound der Nanowelt: Ein klassisches Modell des Quantenpferchs 11.5  Rasterkraftmikroskopie: Prinzip und Anwendungen in der Nano-Biophysik 11.5.1  Funktionsmodelle der Rasterkraftmikroskopie für den Unterricht 11.5.2  Kraftspektroskopie an Proteinen: komplexe Verwandlungen begreifen 11.5.3  Strukturbildung bei Gummibändern: Kraftspektroskopie in Aktion 11.5.4  Nanomechanik in Genetik und Epigenetik: Die Entfaltung von Komplexität und ihre Steuerung 11.5.5  Nano-Prozesse hören: Das Ohr als natürliches Nanosensorsystem 11.6  Nano im MINT-Unterricht: Experimentieren, Modellieren, kreative Prozesse anstoßen Literatur 12 Biophysik 12.1  Struktur biologischer Moleküle 12.1.1  Bausteine des Lebens 12.1.2  Zwischenmolekulare Kräfte und Reaktionen 12.1.3  Freie Energie – Leben im Wechselspiel von Enthalpie und Entropie 12.1.4  Proteine – Maschinen des Lebens 12.1.5  Proteinfaltung und Konformationsänderungen Infobox 12.1: Röntgenbeugung und Proteinkristallografie Infobox 12.2: Spektroskopie 12.2  Biophysik der Zelle 12.2.1  Membranen 12.2.2  Filamente und makromolekulare Netze 12.2.3  Ionentransport durch Membranen 12.2.4  Ionenkanäle und Pumpen Infobox: 12.3: Optische Fluoreszenzmikroskopie Infobox 12.4: Elektronenmikroskopie Infobox 12.5: Diffusion und Brown’sche Bewegung 12.3  Molekulare Maschinen 12.3.1  Enzymatische Reaktionen 12.3.2  Molekulare Motoren 12.3.3  Vergleichende Aspekte Infobox 12.6: Prinzip einer Laserfalle 12.4  Hochentwickelte Prozesse 12.4.1  Nervenleitung (neuronale Signalübertragung) 12.4.2  Photosynthese 12.5  Biophysik im Unterricht 12.5.1  Über Physik und Biologie im Physikunterricht 12.5.2  Experimente und Analogversuche im Unterricht 12.5.3  Schwierigkeiten beim Lernen der Biophysik 12.6  Zusammenfassende Bemerkungen Weiterführende Hinweise 13 Die Physik des Klimawandels: Verstehen und Handeln 13.1  Unsere Erde: Ein ganz besonderer Planet 13.2  Die Sonne als Motor und Energiequelle 13.2.1  Wie viel Energie bekommt die Erde von der Sonne? 13.3  Die Energiebilanz der Erde 13.3.1  Ein Planet wird bestrahlt 13.3.2  Die Rolle der Atmosphäre und der Treibhauseffekt 13.4  Vom Wetter zum Klima 13.4.1  Der Unterschied zwischen Wetter und Klima 13.4.2  Das Klimasystem der Erde 13.4.3  Wetter- und Klimamodelle 13.5  Der Klimawandel 13.5.1  Der anthropogene Treibhauseffekt 13.5.2  Rückkopplung- und Verstärkungseffekte 13.5.3  Auswirkungen des Klimawandels 13.6  Klimawandel im Unterricht: Verstehen und Handeln 13.6.1  Konkretes Handeln: Was tun? 13.6.2  Übersicht der Kompetenzen zur Physik des Klimawandels: Verstehen und Handeln Literatur 14 Gravitationswellen 14.1  Was sind Gravitationswellen? 14.2  Doppelsternsysteme 14.3  Laserinterferometer 14.4  Durchbruch im Jahr 2015 14.5  Kollidierende Neutronensterne 14.6  Ausgewählte Beispiele für den Unterricht 14.7  Ausblick 14.8  Quellen und weiterführende Literatur Weiterführende Literatur Stichwortverzeichnis