Karlsruher Physikkurs

Der Karlsruher Physikkurs (kurz: KPK) ist ein von Physikdidaktikern (insbesondere Gottfried Falk, Wolfgang Ruppel, Friedrich Herrmann) am Institut für Didaktik der Physik<ref>Das Institut wurde nach der Emeritierung von Prof. Falk in die Abteilung für Didaktik der Physik umgewandelt und dem Institut für theoretische Festkörperphysik angegliedert.</ref> der Universität Karlsruhe ausgearbeiteter Vorschlag zur Neustrukturierung des Physikunterrichts in Schule und Hochschule. Darüber hinaus hat auch der Physiko-Chemiker Georg Job wichtige Beiträge zu diesem Kurs geliefert.

Wesentlicher Anspruch des Kurses ist, die Kompetenzen in den physikalischen Fachrichtungen Mechanik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre und Atomphysik durch ein auf der Gibbsschen Formulierung der Thermodynamik<ref>Gottfried Falk, Wolfgang Ruppel: Energie und Entropie. Springer, 1976, ISBN 3-540-07814-2, S. 125. </ref> aufbauendes Bilanzierungskonzept effektiver zu vermitteln als in konventionellen Kursen. Der Karlsruher Physikkurs wird fachlich und fachdidaktisch kontrovers diskutiert. Ein unabhängiger Nachweis für die Effektivität ist nicht erbracht.

In einem Gutachten, das von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) in Auftrag gegeben wurde und das am 12. Februar 2013 veröffentlicht wurde, wird dem Karlsruher Physikkurs die fachliche Fundierung abgesprochen. Die DPG rät „mit Nachdruck“ von seiner Verwendung an Schulen ab.<ref name="DPG">DPG-Gutachten und Stellungnahme zum Karlsruher Physikkurs (KPK). In: dpg-physik.de. Abgerufen am 16. Dezember 2024. </ref>

Inhalt

Zentrales Element des Kurses ist die Unterscheidung zwischen intensiven und extensiven Größen und die Formulierung von Bilanzgleichungen. Über verschiedene Teilbereiche der Physik hinweg wird durch begriffliche Analogien eine Vernetzung angestrebt. Diese soll erfolgen, indem stets von extensiven mengenartigen Größen wie der elektrischen Ladung, der Entropie oder dem Impuls und ihren intensiven Partnergrößen wie dem elektrischen Potential, der Temperatur bzw. der Geschwindigkeit gesprochen wird und die Vorstellung betont wird, dass eine Differenz der intensiven Größe einen Antrieb für den Strom der jeweiligen extensiven Partnergröße bedeutet.

In der Mechanik wird der Impuls an den Anfang gestellt. Er wird als eine substanzartige Größe verstanden, die ähnlich wie die Ladung in der Elektrizitätslehre in einem Körper gespeichert und auf einen anderen übertragen werden kann. Der Impuls wird somit als begriffliche Grundgröße eingeführt mit der eigens dafür eingeführten Einheit „Huygens“, die es im internationalen Einheitensystem nicht gibt. Begründet wird das damit, dass der Impuls der klassischen Mechanik nur den Sonderfall eines allgemeinen Impulsbegriffs darstellt. Die Übertragung von Impuls von einem Körper auf einen anderen wird analog zur Elektrizitätslehre Impulsstrom genannt. An Stelle der Kraft tritt daher die Impulsstromstärke. Sie ist die Ursache sowohl für Beschleunigungen als auch für mechanische Spannungen.

In der Thermodynamik bedeutet das Karlsruher Konzept, dass die komplizierte, aber grundlegende Größe Entropie (siehe dazu 2. Hauptsatz der Thermodynamik) viel früher als üblich eingeführt wird. Dies geschieht nach Ansicht der Karlsruher Didaktiker u. a. als genaue und zugleich verständliche Präzisierung von Vorstellungen, „die in der Umgangssprache als Wärme bezeichnet werden“.<ref name="Herrmann">Friedrich Herrmann: Bemerkungen des Autors zur DPG-Aktion gegen den Karlsruher Physikkurs. In: karlsruher-physikkurs.de. 25. März 2013, abgerufen am 16. Dezember 2024. </ref> Verwendet wird dabei die eigens für den KPK erfundene Maßeinheit „Carnot“.

In der Atomphysik wird auf die üblichen Atommodelle, beispielsweise auf das Bohrsche Atommodell, verzichtet. Stattdessen werden die Elektronen im Atom durch das sogenannte Elektronium modelliert. Elektronium ist demnach eine kontinuierliche, über das ganze Atom verteilte fiktive Substanz, deren Dichte durch die quantenmechanische Aufenthaltswahrscheinlichkeitsdichte gegeben ist.<ref>P. Bronner: Didaktische Hinweise zur Unterrichtseinheit „Atomphysik für die Sek. I“. In: hydrogenlab.de. Archiviert vom Vorlage:IconExternal; abgerufen am 16. Dezember 2024. </ref>

Unterrichtseinsatz und Weiterentwicklungen

1988 bis 1992 wurde der Karlsruher Physikkurs an etwa 20 Schulen in Baden-Württemberg erprobt, im Bildungsplan dieses Bundeslandes befand sich ab 1994 eine Sonderklausel, die den Einsatz der Kursmaterialien im Unterricht erlaubte. Im Jahr 2004 wurden die Lehrbücher zum Kurs im Bundesland Baden-Württemberg für die Sekundarstufe I zugelassen.<ref>Die Entstehung des KPK. In: karlsruher-physikkurs.de. Abgerufen am 16. Dezember 2024. </ref> Am Europa-Gymnasium Wörth in Rheinland-Pfalz, wo der Physikkurs erprobt wird,<ref>Website des Europagymnasiums Wörth</ref> wurde in einem Sonderkurs 2012 auch das Abitur nach diesem Modell abgelegt.<ref>Aufgaben zur schriftlichen Abiturprüfung 2012 eines KPK-Leistungskurses. Europa-Gymnasium Wörth am Rhein, Rheinland-Pfalz. In: karlsruher-physikkurs.de. Abgerufen am 16. Dezember 2024. </ref>

Der Karlsruher Physikkurs wurde auch an einigen Gymnasien in Shanghai erprobt,<ref>Konrad Stammschröer: Badisches Lehrbuch für chinesische Schüler. In: Badische Neuste Nachrichten. 19. Juni 2012 (karlsruher-physikkurs.de [PDF; 148 kB]). </ref> im September 2014 wurde ein auf dem Karlsruher Physikkurs basierendes Lehrwerk in China als Schulbuch zugelassen.<ref>卡尔斯鲁厄物理教程. In: karlsruher-physikkurs.de. Abgerufen am 16. Dezember 2024 (, Chinesisches Schulbuch). </ref> Übersetzungen liegen auch vor in Englisch, Französisch, Italienisch, Russisch, Schwedisch und Spanisch.<ref>Der Karlsruher Physikkurs. In: karlsruher-physikkurs.de. Abgerufen am 16. Dezember 2024. </ref>

Parallel zum Karlsruher Physikkurs hat Andrea diSessa ebenfalls vorgeschlagen, bei der Lehre der elementaren Mechanik den Impulsstrom zu verwenden. In seiner Veröffentlichung wird jedoch deutlich, dass er an einen Einsatz dieses Konzepts in der Sekundarstufe I nicht gedacht hat. Außerdem weist er (wie auch das DPG-Gutachten<ref name="DPG" />) darauf hin, dass im Gegensatz zum elektrischen Strom beim Impulsstrom eine Messung der Stromrichtung nicht möglich ist.<ref></ref>

Aufbauend auf dem Karlsruher Physikkurs ist an der Zürcher Hochschule Winterthur von Werner Maurer und Hans Ulrich Fuchs die Physik der dynamischen Systeme entwickelt worden, die systemdynamische Modellierungstechnik benutzt und sich an der mathematischen Sprache der Kontinuumsphysik orientiert.<ref>SystemPhysik: Physik der dynamischen Systeme. In: systemdesign.ch. Archiviert vom Vorlage:IconExternal am 18. August 2022; abgerufen am 13. März 2014. </ref><ref>Werner Maurer: Systemphysik in Winterthur auf YouTube, abgerufen am 13. März 2014.</ref>

Rezeption

Nach kritischen Stellungnahmen des Deutschen Vereins zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts (MNU) wurde 1998 ein Symposium abgehalten, bei dem sich eine gewisse Annäherung der Standpunkte ergab.<ref>@1@2Vorlage:Toter Link/www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.deProtokoll des MNU-Symposiums Karlsruher Physikkurs – Pro und Contra (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im Oktober 2025. Suche im Internet Archive ) (PDF; 135 kB) (Derzeit nicht abrufbar)</ref><ref>Gerwald Heckmann: Man schaut und wundert sich … Zum Streit um den Karlsruher Physikkurs. In: Mathematischer und Naturwissenschaftlicher Unterricht. Band 67, Nr. 3, 2014 (mnu.de [PDF]). </ref>

Gutachten der DPG

Die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) ließ 2012 ein Gutachten zum Karlsruher Physikkurs anfertigen,<ref name="DPGGut">Gutachten über den Karlsruher Physikkurs. In Auftrag gegeben von der Deutschen Physikalischen Gesellsch. (PDF) In: dpg-physik.de. Abgerufen am 20. Dezember 2024. </ref> welches 2013 noch ergänzt wurde,<ref name="DPGGut2">Ergänzende Bemerkungen zum DPG-Gutachten über den Karlsruher Physikkurs. (PDF; 353 kB) In: dpg-physik.de. Abgerufen am 21. Dezember 2024. </ref> jedoch nicht unumstritten ist.<ref>Protokoll der Mitgliederversammlung des Fachverbandes Didaktik der Physik in der DPG. (PDF; 48 kB) In: dpg-physik.de. 26. Februar 2013, abgerufen am 21. Dezember 2024. </ref><ref name="24profs">Professoren der Theoretischen Physik fordern Rücknahme der Empfehlung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft gegen die Verwendung des Karlsruher Physikkurses an Schule. (PDF; 97 kB) In: top.physik.hu-berlin.de. Abgerufen am 21. Dezember 2024. </ref> Als Ergebnis lehnt die DPG den Physikkurs deutlich ab.<ref name=DPG/>

Sie begründet ihre Ablehnung damit, dass der Karlsruher Physikkurs eine grundsätzlich falsche Vorstellung von Physik erzeuge und den Schülern Konzepte beibringe, die inhaltlich fragwürdig bzw. falsch seien.

Das zeige sich beispielsweise am Begriff des Impulsstroms, dessen Richtung durch eine willkürliche Konvention festgelegt sei. Dadurch sei er von der Ausrichtung des Koordinatensystems abhängig und könne allein durch eine neue Wahl des Koordinatensystems willkürlich verändert werden. Er sei daher „keine Eigenschaft des Systems“ (während der zum Vergleich herangezogene elektrische Strom lediglich eine Vorzeichenkonvention hat und mit entsprechend kalibriertem Amperemeter objektiv messbar ist).<ref name="DPGGut" /> Der KPK erkennt Impulsströme auch in statischen Situationen; in denen ströme aber kein physikalischer Impuls, und das verletze den Impulserhaltungssatz.<ref name="DPGGut2" /> (Der zuletzt genannten Aussage wird widersprochen.<ref name="24profs" />) In einer homogenen Flüssigkeit ohne Scherkräfte hätte in diesem Bild der Druck die Bezeichnung Impulsstromdichte (Impulsstromstärke durch Querschnittsfläche). Die Bedeutung der Impulsstromdichte gehe jedoch über die des Drucks hinaus, da sie eine tensorielle Größe sei, der Druck jedoch nur eine skalare. Dies müsse im Unterricht bis weit in die Hochschulkonzepte hinein übergangen werden – ermöglicht allerdings auch eine konsistente Beschreibung von Zug-, Schub- und Scherkräften.

Weiterhin bemängelt die DPG die Deutung der Entropie als „Wärme“. Der Begriff Wärme stehe in der Thermodynamik für eine klar definierte Prozessgröße (z. B. spreche man von der „erzeugten“ bzw. „aufgenommenen Wärmeenergie“), was von der Zustandsgröße „Entropie“ zu trennen sei, wie man schon an den verschiedenen Einheiten sehe. Zudem werde damit die Entropiezunahme in irreversiblen Prozessen, insbesondere Prozessen ohne Wärmezufuhr, nicht abgedeckt.<ref name="DPGGut" /> In der Elektrodynamik werden „magnetische Ladungen“ zur Erklärung der Magnetisierung herangezogen, statt magnetische Dipole.<ref name="DPGGut2" /> Ebenso wird kritisiert, dass elektromagnetischen Wellen ein „Träger“ zugeschrieben wird, das Vakuum diene als „neuer Name“ für den Äther.<ref name="DPGGut" />

Schließlich kritisiert sie, dass die Formulierungen des Karlsruher Physikkurs so weit von der etablierten Fachsprache entfernt seien, dass sie von keinem Techniker oder Wissenschaftler verstanden werden könnten, nicht einmal an der Hochschule.

„Der KPK ist als Grundlage eines physikalischen Unterrichts ebenso ungeeignet wie als Leitlinie zur Formulierung physikalischer Lehr- oder Bildungspläne. Die Deutsche Physikalische Gesellschaft rät mit allem Nachdruck davon ab, den KPK in der physikalischen Ausbildung zu verwenden.“

– Bartelmann et al. (Gutachtergruppe der DPG): Gutachten über den Karlsruher Physikkurs<ref name=DPGGut />

Literatur

• Udo Backhaus: Der Energietransport durch elektrische Ströme und elektromagnetische Felder. Westarp Wissenschaften, 1993, ISBN 3-89432-082-6, S. 9–15 (uni-due.de [PDF]). 
• Wolfhard Herzog: Der Karlsruher Physikkurs. Anspruch und Widersprüche eines didaktischen Konzepts. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht. Band 60, Nr. 8, 2007, S. 500–504. 
• Jörg Hüfner, Rudolf Löhken: Entropie in der Schule. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht. Band 64, Nr. 4, 2011, S. 217–223. 
• Florian Karsten, Tobias Koch, Franz Kranzinger, Matthias Theis: Planeten, Wolken oder schwarze Kisten? Wie können wir Atome in der Schule didaktisch sinnvoll beschreiben? In: Physik Journal. Band 10, Nr. 11, 2011, S. 39–42. 
• Erich Starauschek: Ergebnisse einer Evaluationsstudie zum Physikunterricht nach dem Karlsruher Physikkurs. In: Zeitschrift für die Didaktik der Naturwissenschaften. Band 8, 2002, S. 7–21 (uni-kiel.de [PDF]). 
• Erich Starauschek: Ergebnisse einer Schülerbefragung über Physikschulbücher. In: Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften. Band 9, 2003, S. 135–146 (uni-kiel.de [PDF]). 
• Keno Will: Mögliche Vor- und Nachteile des Karlsruher Physikkurses – Eine Diskussionsgrundlage. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht. Band 62, Nr. 2, 2009, S. 102–109. 

Weblinks

• Material zum Karlsruher Physikkurs, darunter alle Bände des KPK in einer CC-Lizenz (CC BY-NC-SA 3.0 DE)
• Physik der dynamischen Systeme

Anmerkungen und Einzelnachweise

<references />