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1. Leitgedanken zum Kompetenzerwerb
We can only see a short distance ahead, but we can see plenty there that needs to be done.
– Alan Turing –
1.1 Bildungswert des Faches Informatik, Mathematik, Physik (IMP)
Schülerinnen und Schüler wachsen in einer zunehmend technisierten und digitalisierten Welt auf. Heutige Formen der Kommunikation, des Wissenserwerbs und der Automatisierung bereichern und vereinfachen ihr Leben spürbar. Die gestiegene Geschwindigkeit und Komplexität stellen die Gesellschaft zugleich vor große Herausforderungen und substanziell neue Fragestellungen wie beispielsweise: Welche Chancen und Risiken sind mit diesen Entwicklungen verbunden? Wie funktionieren die Algorithmen, die uns umgeben? Wie können wir die Digitalisierung nicht nur nutzen, sondern auch selbstbestimmt und verantwortungsvoll gestalten? Wer kontrolliert die enormen Datenmengen? Wie sieht die Arbeitswelt von morgen aus?
Viele Entwicklungen in diesen Bereichen basieren auf Erkenntnissen, die sich einerseits aus naturwissenschaftlichen Prinzipien ableiten und andererseits durch mathematisch-informatische Modellierung sowie anschließende Implementierung nutzbar machen lassen.
Das Profilfach Informatik, Mathematik, Physik (IMP) strebt gemeinsam mit den jeweiligen regulären Unterrichtsfächern Informatik, Mathematik und Physik an, den Schülerinnen und Schülern ein fachliches Fundament zu vermitteln. Dieses befähigt sie, sich konstruktiv-kritisch an der gesellschaftlichen Kommunikation und Meinungsbildung über informatische Entwicklungen und naturwissenschaftliche Forschung zu beteiligen und verantwortungsvoll Entscheidungen zu treffen.
Das allgemeinbildende Profilfach IMP ergänzt den Bereich der wählbaren Profilfächer und stellt ein Angebot im Bereich der MINT-Fächer dar. Es baut inhaltlich auf den Kompetenzen auf, die im Mathematik- und Physikunterricht bis einschließlich Klasse 7 sowie im Aufbaukurs Informatik erworben wurden, vertieft und erweitert diese. In den Klassen 8 bis 10 werden die Inhalte von IMP mit den Inhalten des Mathematik- und Physikunterrichts fortlaufend verzahnt.
Speziell die Informatik stellt heute einen organischen Teil vieler anderer Disziplinen dar und hat diese in kurzer Zeit verändert. Viele Prozesse im Alltag werden ebenso von Informatiksystemen gesteuert wie die lebensnotwendige Grundversorgung in den Bereichen Energie, Logistik, Transport und Kommunikation. Durch die Digitalisierung ist zudem für bestimmte Teile der Gesellschaft eine weitere Dimension der realen Welt und des Zusammenlebens entstanden. Einerseits haben viele nur durch die Informatik ermöglichten Anwendungen (wie beispielsweise Kommunikationsplattformen, Cloud-Computing, automatisierte Fertigung, Sicherheitssysteme) unser Leben bereichert und vereinfacht. Andererseits birgt es auch Gefahren, wenn die automatisierte und algorithmengesteuerte Erhebung, Verknüpfung und Verarbeitung von Daten bereits so in den Alltag integriert ist, dass mögliche daraus resultierende Beeinflussungen nicht mehr wahrgenommen werden.
Der Unterricht im Profilfach IMP verfolgt sowohl fachspezifische als auch übergeordnete beziehungsweise gemeinsame Ziele:
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Beitrag des Faches Informatik, Mathematik, Physik zu den Leitperspektiven
In welcher Weise das Fach Informatik, Mathematik, Physik (IMP) einen Beitrag zu den Leitperspektiven leistet, wird im Folgenden dargestellt:
- Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE)
Die Leitperspektive Bildung für nachhaltige Entwicklung findet in IMP vor allem unter physikalischem Fachbezug besondere Berücksichtigung: Physikalisch-technisches Wissen ist zum Verständnis sowie zur Lösung vieler globaler Entwicklungs- und Umweltfragen unabdingbar. Die im Fach Physik erworbenen Kenntnisse zu den Begriffen Energie und Leistung, zu Energieübertragungen auf thermischem Wege und zu Strahlungsbilanzen werden in IMP erweitert, um beispielsweise Simulationen zum Treibhauseffekt durchzuführen und deren Ergebnisse mit komplexeren wissenschaftlichen Szenarien zu vergleichen. Dies ergänzt die Grundlagen für das globale Denken und lokale Handeln im Sinne der Agenda 21. - Bildung für Toleranz und Akzeptanz von Vielfalt (BTV)
Sämtliche digitalen Systeme (zum Beispiel Medizintechnik, Fahrzeuge, Schließsysteme, Geldverkehr, Kommunikationsplattformen) haben Auswirkungen auf das gesellschaftliche Leben. Dabei sind bei deren Entwicklung individuelle Bedeutungen für verschiedene gesellschaftliche Gruppen einschließlich Minderheiten (Menschen mit Behinderung, Angehörige verschiedener Länder und Ethnien, sexueller Orientierungen, Religionen etc.) zu berücksichtigen. Neue technische Möglichkeiten bieten neben einer Reihe von Chancen jedoch immer auch Möglichkeiten für Missbrauch: Zum Beispiel stellt das Internet eine umfassende Ressource für Information dar und ermöglicht die weltweite Kommunikation und Vernetzung von Menschen unterschiedlicher kultureller Prägung und Weltanschauung. Minderheiten haben eine Plattform, um auf sich aufmerksam zu machen, und auch eine unabhängige Berichterstattung aus totalitären Staaten ist möglich. Bestimmte Interessengruppen nutzen diese Technologien jedoch auch, um Meinungen und Ansichten zu verstärken, zu beeinflussen oder zu manipulieren. Ein gezielter Einfluss auf die öffentliche Meinung ist eine Gefahr für die Akzeptanz von gesellschaftlicher Vielfalt und fördert Vorurteile und Klischees. Nur wenn die Schülerinnen und Schüler die Strukturen des Internets und die dahinter stehenden technischen Möglichkeiten verstehen, können sie Informationen angemessen bewerten. - Prävention und Gesundheitsförderung (PG)
Die Leitperspektive Prävention und Gesundheitsförderung findet in IMP vor allem unter informatischem Fachbezug besondere Berücksichtigung: Die Schülerinnen und Schüler werden an einen verantwortungsvollen, reflektierten und selbstregulativen Umgang mit Endgeräten herangeführt. Sie nutzen die im Alltag größtenteils zum Medienkonsum verwendeten mobilen Endgeräte und Informatiksysteme als Arbeitsmittel und werden so befähigt, von der Rolle der reinen Konsumenten in die Rolle der bewusst Handelnden und Gestaltenden zu treten. Dies fördert die Selbstwirksamkeit in einer zusehends konsumorientierten Gesellschaft und trägt zur Entwicklung und Stärkung der Persönlichkeit von Schülerinnen und Schülern bei. - Berufliche Orientierung (BO)
Aufgrund der informations- und messtechnischen Entwicklungen hat sich ein Wandel in der Berufswelt vollzogen. Einige klassische Berufsfelder verlieren an Bedeutung, Ausbildungs- und Studiengänge wurden und werden um Inhalte aus dem MINT-Bereich ergänzt, neue Berufsfelder entstehen. Der Wirtschaftsstandort Deutschland wäre in seiner heutigen Form ohne digitalisierte und automatisierte Geschäfts- und Fertigungsprozesse undenkbar. IMP ermöglicht den Schülerinnen und Schülern in vielfältiger Weise, sich mit Anwendungsfeldern aus allen drei Fachbereichen auseinanderzusetzen. Durch eine entsprechende Interessenbildung ermöglicht IMP einen gezielten Kontakt mit den neuen Arbeitsfeldern der Berufswelt und hilft dabei (geschlechts‑)stereotype Sichtweisen auf MINT-Berufe abzubauen. - Medienbildung (MB)
Der durch den IMP-Unterricht angeregte verantwortungsvolle Umgang mit Daten sensibilisiert die Schülerinnen und Schüler, die Rechte anderer zu wahren und ihre eigenen Daten zu sichern. Das naturwissenschaftliche Experiment, die zugehörige Datenerfassung und ‑auswertung mithilfe digitaler Geräte sowie fachspezifischer Anwendungs- und Simulationssoftware (zum Beispiel Dynamischer Geometriesoftware) sind wichtige Beiträge des IMP-Unterrichts zur Medienbildung. IMP erweitert die reine Nutzung bestehender IT-Anwendungen und ‑Systeme um den Aspekt des Verständnisses der Funktionsweise dieser Systeme und fördert die Reflexionsfähigkeit der Schülerinnen und Schüler bei deren Nutzung. Nur ein Verständnis der hinter den Anwendungsprogrammen stehenden informatischen Grundkonzepte führt zu produkt- und versionsunabhängigem Konzeptwissen. - Verbraucherbildung (VB)
Ein Aspekt der Verbraucherbildung betrifft die Erhebung von Daten, zum Beispiel durch den über das Internet stattfindenden Handel mit Waren und Dienstleistungen, die auch auf einzelne Kunden personalisierte Angebote ermöglichen. Der IMP-Unterricht befähigt Schülerinnen und Schüler, die Wirkungsweisen der hinter solchen Datenerhebungen stehenden Systeme und Interessen zu reflektieren und so unabhängige Konsumentenentscheidungen zu treffen. Er sensibilisiert zudem für mathematisch-naturwissenschaftliche Zusammenhänge, sodass sich die Schülerinnen und Schüler kritisch mit Aussagen in Werbung, Marketing und Produktgestaltung auseinandersetzen können.
1.2 Kompetenzen
Die ständigen Veränderungen in der Gesellschaft fordern von ihren Mitgliedern dynamische und flexible Fähigkeiten, um aktiv teilhaben und mitwirken zu können. Deshalb beziehen sich die im Profilfach IMP erworbenen Kompetenzen einerseits auf die Inhalte der drei Teilfächer und andererseits auf die zentralen Prozesse und Arbeitsweisen. Dazu sind sowohl inhaltsbezogene als auch prozessbezogene Kompetenzen nötig. Die prozessbezogenen Kompetenzen spiegeln vor allem die Fachmethoden wider, die zum Lösen der jeweiligen Problemstellungen notwendig sind. Sie werden über alle Schuljahre eines Faches in einem längeren Prozess erworben. Die inhaltsbezogenen Kompetenzen legen das Fachwissen in Umfang und Tiefe fest (zum Beispiel Begriffe, Strukturen, Gesetze, Prinzipien). Ein kompetenzorientierter IMP-Unterricht berücksichtigt stets beide Aspekte durch eine enge Verbindung von inhaltsbezogenen und prozessbezogenen Kompetenzen.
Die Inhalte des Profilfaches IMP sind stets klar einem der drei Teilbereiche Informatik, Mathematik oder Physik zugeordnet. Die drei Fachaspekte werden daher im Bildungsplan getrennt ausgewiesen, sodass sie gegebenenfalls von unterschiedlichen Lehrkräften mit der jeweils entsprechenden fachlichen Qualifikation unterrichtet werden können. In jedem Fall ist jedoch eine enge Absprache der beteiligten Lehrkräfte der Teilbereiche von IMP sowie der regulären Fächer Mathematik und Physik unabdingbar.
1.2.1 Kompetenzen Informatik
Die Auswirkung der Digitalisierung auf gesellschaftliche Entwicklungen hat in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Daher ist die Befähigung der Schülerinnen und Schüler, ihr Leben in einer Informationsgesellschaft selbstbestimmt führen und gestalten zu können und auch auf zukünftige Entwicklungen und die damit verbundenen Fragestellungen vorbereitet zu sein, nur durch den Erwerb entsprechender Kompetenzen erreichbar.
Grundlage für die Ausweisung von Kompetenzen sind zentrale Konzepte der Informatik. Dabei nehmen Konzepte des Informatischen Denkens (Computational Thinking) einen großen Teil ein. Diese beschreiben den Prozess, ein Problem und die zur Verfügung stehenden Daten zu untersuchen, spezifische Muster zu erkennen, Wesentliches von Unwesentlichem zu unterscheiden und damit eine Lösung zu entwickeln, die so präzise beschrieben wird, dass sie leicht immer wieder ausgeführt werden kann. Wichtige Lösungsstrategien sind „Zerlegung in Teilprobleme“, „Abstrahieren“, „Mustererkennung“ und „Algorithmisierung“. An den Prozess der Problemlösung schließen sich Reflexion und Bewertung der Ergebnisse an. Diese Vorgehensweisen sind typisch für die Informatik, können aber auch in anderen Disziplinen angewendet werden.
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1.2.1.1 Prozessbezogene Kompetenzen Informatik
Die in Klasse 7 aufgeführten informatischen prozessbezogenen Kompetenzen werden dort nicht abschließend erworben, sondern können nur angebahnt werden. Sie werden nun fortgeführt und vertieft. Zusätzlich treten neue prozessbezogene Kompetenzen hinzu.
Die prozessbezogenen Kompetenzen gliedern sich in vier Kompetenzbereiche:
- Strukturieren und Vernetzen
- Modellieren und Implementieren
- Kommunizieren und Kooperieren
- Analysieren und Bewerten
Strukturieren und Vernetzen
Die Informatik als Strukturwissenschaft beschäftigt sich mit der Strukturierung von Daten und Prozessen (Algorithmen). Große Datenmengen können nur dann automatisiert und effizient verarbeitet werden, wenn sie in einer geeigneten Struktur vorliegen. Auch Algorithmen sind letztendlich Strukturen aus elementaren Bausteinen. Komplexere Problemstellungen können in einzelne Teilprobleme aufgeteilt werden, die oft für sich einfacher lösbar sind sowie Übersichtlichkeit und Wiederverwendbarkeit erhöhen. Die einzelnen Handlungsschritte werden anschließend zu einer Gesamtlösung vereint.
Modellieren und Implementieren
Um reale oder konstruierte Probleme lösen zu können, müssen sie zunächst aufbereitet werden. In den zur Verfügung stehenden Informationen müssen Regelmäßigkeiten, Wiederholungen, Ähnlichkeiten oder Gesetzmäßigkeiten erkannt werden, um charakteristische und verallgemeinerbare Bestandteile zu abstrahieren. Danach werden Abläufe, Daten und Beziehungen in informatischen Modellen dargestellt. Die Schülerinnen und Schüler implementieren Algorithmen in einer geeigneten Programmierumgebung und testen ihre Programme auf Fehler und die Ergebnisse auf Realitätsrelevanz.
Kommunizieren und Kooperieren
Die Schülerinnen und Schüler dokumentieren ihre Arbeitsschritte und (Teil‑)Ergebnisse und bedienen sich dabei fachlicher Terminologie und geeigneter Visualisierungen. Sie bearbeiten geeignete Problemstellungen arbeitsteilig und verwenden dabei vorhandene Infrastruktur zur Kommunikation und Zusammenarbeit.
Analysieren und Bewerten
Die Schülerinnen und Schüler analysieren Aufgabenstellungen, vorliegenden Programmcode, das Verhalten von Systemen mit unbekanntem innerem Aufbau sowie die gesellschaftlichen Auswirkungen von informatischen Systemen. Beim sich anschließenden Reflexionsprozess werden Lösungen mit der Ausgangssituation verglichen und gegebenenfalls Überlegungen zur Verbesserung angestellt. Dies führt zur Bewertung und Überarbeitung der Lösungen. In der Regel gibt es nicht nur eine richtige Lösung, sondern eine Vielzahl möglicher Umsetzungen. Darüber hinaus bewerten die Schülerinnen und Schüler die Auswirkung informatischer Anwendungen, Strukturen und Denkweisen auf die Gesellschaft sowie deren Sinnhaftigkeit.
1.2.1.2 Inhaltsbezogene Kompetenzen Informatik
Informatik beschäftigt sich mit der Darstellung, der automatischen Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Informationen. Dabei ist die Repräsentation der Information in Form von digitalen Daten Voraussetzung für deren weitere automatisierte Verarbeitung. Diese Prinzipien sind die Grundlage für die Gliederung der inhaltsbezogenen Kompetenzen.
Daten und Codierung
Codierungsvorschriften beschreiben, wie Informationen in ein standardisiertes Format gebracht werden können. Verschiedene Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Codierungen. Die Schülerinnen und Schüler lernen Codierungsvorschriften kennen, die das Erkennen und Korrigieren von Übertragungsfehlern ermöglichen. Sie können den Speicherbedarf großer Datenmengen durch Komprimierung reduzieren. Die Schülerinnen und Schüler lernen verschiedene Strukturen von Daten und deren Einsatzmöglichkeiten kennen.
Algorithmen
Die Schülerinnen und Schüler lernen Standardalgorithmen aus verschiedenen Bereichen kennen und entwerfen eigene Algorithmen. Sie werden befähigt, einfache Algorithmen zu implementieren. Dabei findet in Klasse 9 der Übergang zu einer textuellen Programmiersprache statt. Größere Aufgabenstellungen – wie zum Beispiel Softwareprojekte – erfordern die Zerlegung von Problemen in kleinere Teilaufgaben, die beispielsweise mithilfe von Unterprogrammen gelöst werden. Sie setzen dabei Datenstrukturen zur Speicherung gleichartiger Daten ein. Informatische Modelle erleichtern das Verständnis des Aufbaus von Algorithmen.
Rechner und Netze
Neben dem Rechner als algorithmenverarbeitende Maschine lernen die Schülerinnen und Schüler den Rechner als Teilnehmer in Netzen kennen. Die Vernetzung von Rechnern bildet die Grundlage verteilten Arbeitens und moderner Kommunikation. Dabei sind sowohl Konzepte der Datenübertragung als auch das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten entscheidend.
Informationsgesellschaft und Datensicherheit
In der Informationsgesellschaft muss jeder Einzelne die Verantwortung für seine Daten im Hinblick auf Verfügbarkeit, Vertraulichkeit und Integrität übernehmen. Die Schülerinnen und Schüler wissen um die permanente Erhebung, Zusammenführung und Auswertung von personenbezogenen Daten. Verschlüsselungsverfahren zeigen die Prinzipien der Kryptologie. Es wird deutlich, dass nur die Vermeidung von Schwachstellen zu sicheren Verschlüsselungsverfahren führen kann. Die Schülerinnen und Schüler lernen die asymmetrische Verschlüsselung als einen Lösungsansatz für das Schlüsselaustauschproblem kennen.
1.2.2 Kompetenzen Mathematik
1.2.2.1 Prozessbezogene Kompetenzen Mathematik
Die prozessbezogenen Kompetenzen des Teilbereichs Mathematik beziehen sich auf den Fachplan des regulären Faches Mathematik. Sie sind gegliedert in die fünf Bereiche:
- Argumentieren und Beweisen
- Probleme lösen
- Modellieren
- Mit symbolischen, formalen und technischen Elementen der Mathematik umgehen
- Kommunizieren
Diese übergreifenden Kompetenzen beziehen sich auf typische mathematische Tätigkeiten über alle mathematischen Inhalte hinweg, sie werden weder nach Niveau noch nach Klassenstufen differenziert dargestellt. Durch eine verständnisorientierte Auseinandersetzung mit inner- und außermathematischen Problemstellungen lernen die Schülerinnen und Schüler mathematisch zu denken, zu kommunizieren, zu argumentieren und zu begründen. Die Grundlagen dafür sind beispielsweise Vermutungen zu äußern, Fragen zu stellen, zu recherchieren und Informationen auf Relevanz zu untersuchen, Lösungen zu dokumentieren, zu überprüfen und zu präsentieren sowie konstruktiv mit Fehlern und Kritik umzugehen. Im IMP-Bildungsplan sind alle prozessbezogenen Kompetenzen aus dem regulären Fach Mathematik aufgelistet, im Hinblick auf die Einbindung der Mathematik in das Profilfach IMP werden jedoch Schwerpunkte gesetzt.
1.2.2.2 Inhaltsbezogene Kompetenzen Mathematik
Die mathematischen Inhalte sind in vier Teilbereiche gegliedert. Die Wahl dieser Teilbereiche trägt zum einen der Bedeutung der Informatik als Leitfach Rechnung, betont jedoch zum anderen auch den eigenständigen Charakter der Mathematik.
Mathematische Grundlagen der Kryptologie
Gesellschaftlich besitzt die sichere Übertragung von Daten einen immer höheren Stellenwert. Die Schülerinnen und Schüler lernen die zahlentheoretischen Grundlagen von Verschlüsselungsverfahren kennen und können damit deren Sicherheit beurteilen.
Aussagenlogik und Graphen
Die Schülerinnen und Schüler erwerben erste aussagenlogische und graphentheoretische Kenntnisse, welche die Grundlagen für das Verständnis wesentlicher informatischer Inhalte und Konzepte bilden.
Geometrie
Die Schülerinnen und Schüler erweitern ihre Kenntnisse aus dem Mathematikunterricht und nutzen nun neben bekannten Sätzen auch weitere Eigenschaften ebener Figuren zur Begründung geometrischer Zusammenhänge. Dabei setzen sie sich auch mit Fragestellungen aus dem Bereich der Logik auseinander.
Funktionen im Sachkontext
Funktionales Denken befähigt die Schülerinnen und Schüler in vielen Bereichen des täglichen Lebens dazu, Problemlösestrategien zu entwickeln und anzuwenden. In Ergänzung zur Mathematik werden in IMP die funktionalen Zusammenhänge insbesondere unter den Aspekten der analytischen, grafischen und tabellarischen Modellierung behandelt, zum Beispiel durch Einsatz einer geeigneten computergestützten Lernumgebung.
1.2.3 Kompetenzen Physik
1.2.3.1 Prozessbezogene Kompetenzen Physik
Die prozessbezogenen Kompetenzen im Teilbereich Physik beziehen sich auf den gymnasialen Plan des regulären Faches Physik: Der Bildungsplan Physik unterscheidet bei den prozessbezogenen Kompetenzen die Bereiche Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung. Im Bereich der Erkenntnisgewinnung stehen das zielgerichtete Experimentieren, das Modellieren und Mathematisieren sowie der Erwerb und die Anwendung von Wissen im Vordergrund. Der Bereich Kommunikation umfasst das Verbalisieren, Dokumentieren und Präsentieren von Ergebnissen und Erkenntnissen. Dazu gehören auch die Fachsprache und die Verwendung unterschiedlicher Darstellungsformen. Schwerpunkte im Bereich der Bewertung sind die Reflexion physikalischer Arbeitsweisen, das Diskutieren von Chancen und Risiken sowie der kritische Umgang mit Informationen und Quellen.
Im IMP-Bildungsplan sind die prozessbezogenen Kompetenzen aus dem Physik-Fachplan zwar vollumfänglich aufgelistet, jedoch ist dies nicht gleichbedeutend damit, dass auch alle diese Kompetenzen im Vordergrund des IMP-Unterrichts im Teilbereich Physik stehen sollen. Vielmehr wird im IMP-Unterricht schwerpunktmäßig auf solche prozessbezogenen Kompetenzen aus der Physik verwiesen, die den ausgewählten Inhalten dienlich sind. So sollen vor allem die prozessbezogenen Kompetenzen aus den Bereichen der digitalen Messwerterfassung und ‑verarbeitung, der Simulation und Modellbildung und der Mathematisierung eine große Rolle spielen.
1.2.3.2 Inhaltsbezogene Kompetenzen Physik
Der Teilbereich Physik befasst sich einerseits mit grundlegenden Aspekten der digitalen Datenverarbeitung und -übertragung (zum Beispiel Halbleiterphysik, Sensoren, Lichtleiter) und wendet andererseits informatische und mathematische Kompetenzen bei numerischen Berechnungen von Abhängigkeiten und Abläufen an. Darüber hinaus bietet die Beschäftigung zum Beispiel mit Astronomie, Geophysik und Raumfahrt eine Fülle von sehr motivierenden physikalischen Inhalten, anhand derer physikalische Fachmethoden vertieft und erweitert werden.
Optik und Bilderfassung
Ausgehend vom Fermat’schen Prinzip erschließt sich eine erste Begründungsebene für optische Phänomene wie Reflexion und Brechung. Die Schülerinnen und Schüler erkennen im Lichtleiter eine Möglichkeit der optischen Signalübertragung als Anwendung der Totalreflexion. Sie lernen in Experimenten Anwendungen von Linsen in optischen Geräten kennen und mathematisieren ihre experimentellen Erkenntnisse mithilfe der Linsengleichung. Mit dem Vergleich von digitaler und analoger Bilderfassung werden die optischen Aspekte in einen anwendungsbezogenen und informatischen Kontext gestellt.
Erde und Weltall
Die drei Einheiten Astronomie (Klasse 8), Geophysik (Klasse 9) sowie Himmelsmechanik und Astrophysik (Klasse 10) bilden einen thematischen Schwerpunkt im Bereich Physik. Dabei beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler in Klasse 8, ausgehend von unserem Sonnensystem, zunächst mit astronomischen Objekten und ihren Eigenschaften. In Klasse 9 steht die energetische Betrachtung des Systems Sonne–Erde im Vordergrund, insbesondere die Strahlungsbilanz der Erde und die Rahmenbedingungen habitabler Zonen. Die Schülerinnen und Schüler untersuchen grundlegende Effekte der Entwicklung des Erdklimas mithilfe von Simulationen wissenschaftlicher Szenarien. Im Unterricht von Klasse 10 erschließt sich die Himmelsmechanik aus der quantitativen Beschreibung der Gravitation. Über die Beschäftigung mit der Entwicklung von Sternen lernen die Schülerinnen und Schüler auch besondere und faszinierende Himmelsobjekte kennen.
Elektrodynamik und Informationsverarbeitung
In dieser Einheit werden die physikalischen Grundlagen informatischer Systeme unter anderem durch logische Schaltungen und die Behandlung von Halbleiter-Bauteilen untersucht. Hierbei steht die naturwissenschaftliche Fachmethodik im Schülerexperiment im Vordergrund.
Computergestützte Physik und numerische Verfahren in der Mechanik
Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in Klasse 9 erstmals intensiv mit der computergestützten Modellierung physikalischer Fragestellungen auseinander. Dabei werden physikalische Abhängigkeiten und zeitliche Abläufe computergestützt aufgezeichnet und iterativ modelliert. Das Verfahren der kleinen Schritte dient in Klasse 10 zur Modellierung realer Bewegungsabläufe, zum Beispiel aus den Bereichen Sport, Freizeit und Raumfahrt. Die Schülerinnen und Schüler verknüpfen dabei Physik‑, Mathematik- und Informatik-Kenntnisse zur Lösung physikalischer Problemstellungen.
1.3 Didaktische Hinweise
Geschlechtsneutraler Unterricht
Ein motivierender IMP-Unterricht berücksichtigt die Interessen von Mädchen und Jungen in gleicher Weise, um geschlechtsstereotype Rollenbilder abzubauen. So sind beispielsweise Fragestellungen, die an Gesundheit, Natur und Umwelt, an den Menschen und seine Zukunftsgestaltung anknüpfen, sowohl für Mädchen als auch Jungen interessant. Bei der Problemlösung werden unterschiedliche schülerspezifische Herangehensweisen berücksichtigt. Hierbei können sich planvolle und probierende Vorgehensweisen sinnvoll ergänzen.
1.3.1 Teilbereich Informatik
Aktuelle Bezüge
Die Schülerinnen und Schüler werden in alltäglichen Situationen oder in den Nachrichten mit informatischen Themen konfrontiert. Diese reichen von zunächst unerklärbarem Verhalten (zum Beispiel Fehlermeldungen) beim Bedienen von Endgeräten bis zu Nachrichten über technische Entwicklungen oder Zwischenfälle im Zusammenhang mit Informatiksystemen. Viele dieser aktuellen Ereignisse bieten geeignete Anknüpfungsmöglichkeiten, um sowohl die informatisch-technologischen Aspekte als auch die Auswirkungen auf Individuum und Gesellschaft zu beleuchten.
Programmieren und Testen
Programmieren als Realisierung von Ideen in Software als schöpferischer und produktiver Prozess ist ein wesentlicher Bestandteil des Informatikunterrichts. Die Schülerinnen und Schüler entwerfen Problemlösungen, die auf grundlegenden Programmierbausteinen basieren und erfahren so, dass die Lösung nicht in den Bausteinen selbst, sondern hauptsächlich in der Art und Weise ihrer Anordnung liegt. Zur Arbeitsweise gehören auch die selbstständige Überprüfung des Programmablaufs, die Aufdeckung von syntaktischen und semantischen Fehlern sowie der Entwurf von Testszenarien und deren Durchführung.
Programmierumgebung
Die Entscheidung für eine geeignete Programmiersprache und Programmierumgebung sollte in Kombination getroffen werden und nach Gesichtspunkten der altersangemessenen Vermittlung informatischer Konzepte erfolgen. Dabei ist der Auswahl der didaktischen Werkzeuge eine besondere Bedeutung beizumessen. Die Programmierumgebung sollte die Schülerinnen und Schüler bei der Eingabe und Strukturierung ihres Codes unterstützen, leichtes Auffinden und Beheben von Fehlern ermöglichen und möglichst auf die im Unterricht erforderlichen Funktionen beschränkt sein. Je nach eingesetzter Programmiersprache können objektorientierte Sprachelemente (zum Beispiel Methodenaufrufe bei Verwenden von Bibliotheken) notwendig sein. Diese können jedoch als spezielle Syntax aufgefasst und einfach nach Anleitung/Dokumentation verwendet werden. An eine Thematisierung der objektorientierten Programmierung – auch am Rande – ist nicht gedacht.
Informatik mit und ohne Rechnereinsatz
Grundsätzlich ist eine Umsetzung informatischer Inhalte mit digitalen Endgeräten selbstverständlich. Der Umgang mit digitalen Werkzeugen soll jedoch gegenüber der Vermittlung informatischer Inhalte in den Hintergrund treten. Auch die Vermittlung mithilfe von „unplugged“-Elementen ohne Rechnereinsatz (zum Beispiel Nachspielen mit geeigneten Gegenständen, in Papierform, durch Rollenspiele) kann dazu beitragen, die Kernidee informatischer Konzepte in den Vordergrund zu rücken und Ablenkungen, die im Umgang mit Werkzeugen oft unvermeidlich sind, zu reduzieren.
Variation von Problemstellungen
In besonderer Weise bietet der informatische Zugang zur Problemlösung auch die Möglichkeit, über die Grenzen der ursprünglichen Aufgabenstellung hinaus zu denken. Durch veränderte Anforderungen, Rahmenbedingungen oder Variation der Problemgröße werden informatische Lösungskonzepte verdeutlicht, nachvollziehbar gemacht oder hinterfragt. Fragestellungen der Art „Wie hätte man es anders machen können?“, „Ist die gefundene Lösung optimal?“ oder „Wo enden die Einsatzbereiche der gefundenen Lösung?“ gehören zum Standardrepertoire des Informatikunterrichts.
Projektartiges Arbeiten
Im Modul Informatik nimmt ein Programmierprojekt einen breiten Raum ein und fördert insbesondere den Aufbau prozessbezogener Kompetenzen. Der Rahmen für die Aufgabenstellung muss so von der Lehrkraft vorgegeben werden, dass sowohl die fachlichen Anforderungen als auch die zu erwartende Bandbreite an Ideen der Schülerinnen und Schüler darin Platz finden. Die Auswahl geeigneter Inhalte folgt den Kriterien Altersangemessenheit und Vereinbarkeit mit bestehenden rechtlichen Regelungen; insbesondere gilt der Verzicht auf gewaltdarstellende, beleidigende oder diskriminierende Inhalte.
1.3.2 Teilbereich Mathematik
Um sowohl prozessbezogene als auch inhaltsbezogene mathematische Kompetenzen zu entwickeln, benötigen die Schülerinnen und Schüler aktive Aneignungsprozesse und ‑handlungen, in denen sie Mathematik betreiben und neu gewonnene Erkenntnisse zu bereits vorhandenen Vorstellungen in Beziehung setzen können. Einige der im vorliegenden Bildungsplan IMP im Modul Mathematik aufgeführten inhaltsbezogenen Kompetenzen sind Weiterführungen und Vertiefungen von zugehörigen Inhalten des regulären Faches Mathematik. Diese Weiterentwicklung ermöglicht einen auf soliden Grundvorstellungen basierenden altersgemäßen Kompetenzaufbau. Die damit verbundenen Ziele setzen den Schwerpunkt auf prozessbezogene Kompetenzen, insbesondere auf ein stärker formalisiertes Arbeiten, fachlich präzises Erläutern und Begründen, aber auch den aktiven Transfer auf neue Inhalte. Die unterrichtliche Umsetzung zielt dabei auf die Reflexion und das Bewusstmachen prozessbezogener Kompetenzen.
Darüber hinaus ist eine Vernetzung der Kompetenzen wesentlich. Deshalb sind sowohl die vier mathematischen Teilmodule als auch die beteiligten Fächer Informatik, Mathematik und Physik nicht isoliert voneinander zu betrachten, sondern, wo immer möglich, miteinander zu verknüpfen. Dies erfordert gegebenenfalls eine enge Absprache der beteiligten Lehrkräfte. Diese Verknüpfung kann durch kognitiv aktivierende, möglichst authentische und motivierende Problemsituationen zum Erwerb neuer Begriffe und Verfahren beitragen, die sich an bereits vorhandene Kompetenzen aus den regulären Fächern anschließen. Im Mathematikunterricht im Profilfach IMP sollten dabei verstärkt auch die eigenständige Bearbeitung von Problemen sowie forschendes, experimentelles Arbeiten ihren Raum finden.
Unterstützt wird dieses Arbeiten durch geeignete mediale Hilfsmittel, die hierbei didaktisch sinnvolle Zugänge zu neuen Inhalten ermöglichen und zu vertiefter und nachhaltiger Entwicklung von mathematischem Denken beitragen.
1.3.3 Teilbereich Physik
Prozessbezogene Kompetenzen können nur durch das eigene Tun erworben werden. Insbesondere sollen die Schülerinnen und Schüler im IMP-Unterricht einen höheren Grad an Selbstständigkeit im Bereich der physikalischen Fachmethoden erreichen.
Für einen handlungsorientierten und schülerzentrierten Unterricht steht daher mehr Zeit zur Verfügung, um beispielsweise die physikalische Arbeitsweise einzuüben sowie innerhalb der Lerngruppe unterschiedliche Lösungswege zu vergleichen, zu diskutieren und zu bewerten. Dabei sollen insbesondere auch individuelle Lernwege berücksichtigt und gefördert werden. Dies betrifft insbesondere die Themen von Klasse 9 in den Bereichen Elektromagnetismus und Informationsverarbeitung.
Aufbauend auf den ersten Erfahrungen mit der physikalischen Modellbildung, zum Beispiel anhand des Lichtstrahlenmodells in Klasse 7, lernen die Schülerinnen und Schüler im IMP-Unterricht auch die Fachmethode der iterativen Verfahren zur quantitativen Modellierung von Abhängigkeiten und Abläufen kennen. Sie vergleichen deren Ergebnisse unter anderem auch mit den experimentell gewonnenen Erkenntnissen und führen erste Optimierungen an ihren Modellrechnungen durch.
Kennzeichen des Physikunterrichts im Rahmen von IMP ist unter anderem auch eine stärkere Mathematisierung, bei der auch auf die Vernetzung mit der Mathematik geachtet werden muss.
Viele Aspekte des didaktischen Vorgehens in IMP entsprechen denen des regulären Faches Physik. Die folgenden Aspekte sollen im IMP-Unterricht besondere Berücksichtigung finden:
- Am Anfang eines Physikverständnisses stehen das Staunen über Naturphänomene (insbesondere bei Himmelserscheinungen im Bereich Astronomie) und die Faszination, die von technischen Geräten ausgeht.
- Physik darf nicht nur im Physiksaal relevant sein: Die Lebenswelt und der Alltag der Schülerinnen und Schüler sollen ebenso in den Unterricht mit einbezogen werden wie technische Anwendungen, informatische Aspekte sowie populärwissenschaftliche Darstellungen in Texten, Bildern und Filmen.
- Verknüpfungen zur Informatik und Mathematik sind ebenso hilfreich wie der Besuch von außerschulischen Lernorten, wie zum Beispiel Planetarien, Sternwarten, Schülerlaboren, Forschungszentren und Industriebetrieben.
- Der Physikunterricht im Rahmen von IMP soll die Schülerinnen und Schüler für informatische, mathematische und physikalische Fragestellungen begeistern und sie gegebenenfalls auf eine Berufsausbildung oder ein Studium in diesem Bereich vorbereiten.
- Der Einsatz von Computern, Smartphones oder vergleichbaren Geräten sowie dem Internet ist im Unterricht eine Selbstverständlichkeit – beim Wissenserwerb, beim Erfassen und Auswerten von Messdaten, beim Dokumentieren und Präsentieren sowie beim Einsatz von Simulationssoftware.
- Die physikalischen Aspekte des IMP-Unterrichts bereiten die Schülerinnen und Schüler darauf vor, ihre Kompetenzen zur Weiterentwicklung unserer Gesellschaft einbringen zu können.