Die grundlegenden Ziele des Wahlpflichtfaches Physik/Informatik entsprechen den Zielen, die in den Richtlinien für das Fach Physik an Gymnasien in Nordrhein-Westfalen formuliert sind, orientieren sich aber auch an den Zielen der anderen MINT-Fächer. Die Fachkonferenz Physik hat dabei die folgenden Schwerpunkte festgelegt, die bei der Durchführung des Unterrichts besondere Berücksichtigung finden sollen:

• Die Erarbeitung der Grundlagen einer textbasierten Programmiersprache am Beispiel der Steuerung von Robotern. Die Schülerinnen und Schüler lernen die grundlegenden Befehle und Strukturen einer Hochsprache (z. B. C) kennen und wenden diese bei der Steuerung ihres Roboters (Arduino) oder Aufbauten aus dem Bereich der Steuerungs- und Regelungstechnik an.
• Entwicklung der Medien- und Präsentationskompetenz. Die Schülerinnen und Schüler lernen, entscheidende physikalische bzw. naturwissenschaftliche Inhalte aus einer größeren Menge an Informationen (Lehrbuchtexte, Internet, Lexika, ...) herauszufinden, in geeigneter Form festzuhalten und aufzubereiten. In einem zweiten Schritt werden die Grundlagen einer erfolgreichen Präsentation dieser Inhalte erarbeitet und eine solche Präsentation durchgeführt. Dabei lernen die Schülerinnen und Schüler, aus der Vielzahl an zur Verfügung stehenden Medien sachgerecht auszuwählen und diese angemessen einzusetzen.
• Das sorgfältige Aufnehmen und Bearbeiten einer großen Anzahl an Messwerten und deren Weiterverwendung. Dabei sollen reale, nicht bereits idealisierte Problemstellungen experimentell untersucht werden, was im normalen Physikunterricht aus Zeitgründen leider nur selten erfolgen kann.
• Die langfristige und intensive Beschäftigung mit mindestens einem klar abgegrenzten Bereich der Physik ohne direkt vom physikalischen Inhalt auszugehen. Dabei soll an den Alltagserfahrungen der Lernenden in den jeweiligen Bereichen angeknüpft werden.
• Die Möglichkeit zur handwerklichen Beschäftigung beim Bau physikalischer Modelle oder Geräte. Dadurch soll ein Zugang zu Problemen der Mechanik und deren Lösung geschaffen werden, die erst bei einer konkreten Realisation geplanter Vorhaben auftreten. Zur Planung gehören Grundkenntnisse des technischen Zeichnens. In der Umsetzungsphase werden Modelle mit Hilfe eines 3D-Druckers hergestellt.

Diese Schwerpunktsetzung macht deutlich, dass insbesondere an der Entwicklung der prozessbezogenen Kompetenzen gearbeitet werden soll. Diese werden durch das Arbeiten in Teams oder Gruppen, projektartige Arbeitsformen, ausgedehnte Schülerexperimentierphasen, Präsentationen, … deutlich gestärkt.

Eine schülerorientierte Unterrichtsgestaltung sorgt dafür, dass die Lernenden in ihren Interessen und Neigungen ernst genommen werden, zum Beispiel indem sie an der konkreten Ausgestaltung von Unterrichtsreihen beteiligt werden.

Abschließend lässt sich ergänzen, dass die Belegung von Physik/Informatik auch eine Orientierungs- und Entscheidungshilfe für die Wahlen in der Einführungs- und Qualifikationsphase sein kann. Die Schülerinnen und Schüler erhalten durch die Arbeit im Fach Physik/Informatik einen Eindruck davon, ob die Belegung eines naturwissenschaftlichen Schwerpunktes bzw. die Wahl eines Leistungskurses im Fach Physik für sie in Frage kommen könnte. Wobei an dieser Stelle deutlich betont werden soll, dass die in Physik/Informatik vermittelten Kenntnisse und Fähigkeiten keine Voraussetzung für das erfolgreiche Arbeiten in einem Physik-Leistungskurs sind. Des Weiteren erhalten die Schülerinnen und Schüler in der Unterrichtsreihe zur Robotik einen realistischen Einblick in das Fach Informatik, das in der Sekundarstufe II ab der Einführungsphase als Grundkurs belegt werden kann und können so auch in diesem Bereich eine fundierte Entscheidung über die weitere Ausrichtung ihrer schulischen Laufbahn treffen.

Messen 1 und 2

Im Laufe des Kurses wird die PASCO-Messwerterfassung dazu verwendet, große Mengen an Daten aufzunehmen. Dies kann durch Langzeitmessungen (Messung des CO2-Gehaltes, der Temperatur und des Lautstärkepegels in einem Klassenraum im Abstand von jeweils einer Minute im Laufe eines Schultages) oder bei der Untersuchung sehr schnell ablaufender Vorgänge (Entwicklung der Geschwindigkeit bei Fallbewegungen) erfolgen. Die gewonnenen Messdaten werden im Unterricht mit Hilfe einer Tabellenkalkulation tabellarisch und grafisch aufgearbeitet. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Reihe ist der Umgang mit Ungenauigkeiten und Messfehlern. Diese werden zum Beispiel dadurch thematisiert, dass die Auswertung zu Aussagen führt, die auf der Gesamtheit der Messungen beruhen, wobei einzelne Messwerte abweichen können. In der Auswertung werden zu Beginn zunächst ausschließlich Diagramme beschrieben und mit Blick auf die zugrundeliegende Theorie analysiert, im späteren Verlauf des Kurses lernen die Schülerinnen und Schüler, die erhobenen Daten zunehmend mit mathematischen Methoden (zum Beispiel mit Hilfe von Formeln für Trendlinien) zu analysieren.

Wie funktioniert das?

Vor dem Hintergrund dieser Frage wählen die Schülerinnen und Schüler einen Alltagsgegenstand aus, um dessen Funktionsweise einzeln oder in Gruppen zu erarbeiten. Bei der Auswahl wird darauf geachtet, dass der Gegenstand physikalische Geheimnisse verbergen sollte, die im Alltag niemand hinterfragt (Kaffeemaschine, elektrische Zahnbürste, Rauchmelder, …).

Zunächst werden Informationen über die ausgewählten Gegenstände gesucht und kritisch bewertet, etwa durch Literaturrecherche, mit Hilfe von Suchmaschinen im Internet, durch Gespräche mit Experten, ... Ziel ist die Anfertigung einer schriftlichen Ausarbeitung, in der die Funktionsweise des Gerätes umfassend erklärt wird. Abschließend werden die Ergebnisse dem gesamten Kurs im Rahmen eines mediengestützten Vortrags (mit Hilfe von Plakaten, digitalen Folien, Erklärvideos, …) präsentiert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf einer für ein Referat sinnvollen Reduktion des physikalischen Inhalts.

In der ersten Phase wird zunächst das Vorgehen bei der Recherche thematisiert, anschließend werden die Kriterien für eine inhaltliche Reduktion gemeinsam an mindestens einem Beispiel erarbeitet. Am gleichen Beispiel werden Kriterien für einen guten Vortrag erarbeitet, dabei soll deutlich werden, dass bei jeder (mediengestützten) Präsentation der Inhalt vor dem Effekt der Darstellung stehen muss. Es werden Richtlinien für die Erstellung einer Präsentation abgeleitet, die eine Grundlage der späteren Bewertung bilden.

Besonders gelungene Präsentationen können dabei für den Wettbewerb “Jugend präsentiert“ ausgewählt und eingereicht werden.

Roboter bauen und programmieren

Die Unterrichtseinheit zur Robotik wird mit Hilfe der microprozessorgesteuerten Arduinobaussatzes durchgeführt. Diese Bausätze beinhalten einen programmierbaren Microcontroler und einen Sensorensatz. Die Verwendung des Arduino-Roboters erleichtert den Lernenden den Zugang zum eher theoretischen Programmaufbau. Der Arduino besitzt zahlreiche Eingänge für Sensoren (diese ermöglichen die Konstruktion von Robotern, die auf ihre Umgebung reagieren und mit dieser interagieren können).

Die Programmierung erfolgt mit Hilfe einer textbasierten Programmiersprache. Es werden zunächst die grundlegenden Befehle und Strukturen der jeweils verwendeten Sprache systematisch erarbeitet sowie wesentliche Kriterien für “gute“ Programmierung thematisiert.

Die Verwendung einer textbasierten Sprache bietet den Schülerinnen und Schülern dabei einen Einblick in “echte“ Programmierung und bereitet diese auf die Arbeit mit der Programmiersprache Java im Informatikunterricht der Sekundarstufe II vor. Die Verwendung einer Programmierumgebung ermöglicht eine übersichtliche Darstellung des Programmablaufs, dessen Richtigkeit am Verhalten des Roboters direkt überprüft werden kann.

In einer Erweiterung der Unterrichtsreihe könnten Projekte aus dem Bereich der Steuerungs- und Regelungstechnik umgesetzt werden. Durch zusätzlich angeschaffte Arduino-Sets mit unterschiedlichsten Sensoren und Aktoren, können die Schülerinnen und Schüler eine riesige Bandbreite an Projektideen entwickeln und umsetzen. In solchen Projekten gewinnt die interne und die gruppenübergreifende Zusammenarbeit enorm an Bedeutung, da das Projekt nur erfolgreich umgesetzt werden kann, wenn das Projekt in sinnvolle Teile zerlegt wird, die arbeitsteilig bearbeitet und am Ende schlüssig zusammengefügt werden.

Schwerpunkt

Hierbei handelt es sich nicht notwendigerweise um eine einzige Unterrichtseinheit. Es können im Verlauf des zweijährigen Wahlpflichtbereiches auch mehrere Schwerpunkte an verschiedenen Stellen mit unterschiedlicher Länge gesetzt werden. Innerhalb eines Schwerpunktes erfolgt die Beschäftigung mit einem klar umgrenzten physikalischen Sachgebiet, welches nicht oder nur in kleinen Teilen Bestandteil der Lehrpläne des regulären Physikunterrichts ist. Welche Schwerpunkte, wann und wie gesetzt werden, wird unter Berücksichtigung der Interessen und Neigungen der Kursteilnehmer durch die Lehrperson festgelegt.

Beispiele für bereits durchgeführte Schwerpunktthemen:

• Physik der Musikinstrumente
• Physik des Fliegens
• Wettbewerb IJSO
• Schwimmen und Tauchen
• Bauen und Zeichnen
• Astronomie und Gravitation
• Brückenbau
• Energie im Wandel
• …