Beobachtung und Erkenntnis im Physikunterricht

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung: Auf der didaktischen Metaeben

2 Das Referat: Konzeption und Ablauf
2.1 Zwecksetzung des Referates
2.2 Ablauf

3 Erkenntnistheorie: Von Platon bis Popper
3.1 Das Problem mit Experimenten / Beobachtungen
3.1.1 Erkenntnis und Vorkenntnis
3.1.2 Experimente im Unterricht
3.2 Historische Annaherung
3.2.1 Platon: Zwei Welten des Seins
3.2.2 Renaissance: Rationalismus und Empirismus
3.3 Moderne Standpunkte der Erkenntnistheorie
3.3.1 Naiver Empirismus
3.3.2 Kritischer Rationalismus

4 Didaktische Aufbereitung: Was man davon lernt
4.1 Vorab: Sinn und Zweck von Erkenntnistheorie
4.2 Ableitungen fur das Unterrichtsgeschehen
4.2.1 Platon: Sehen und Einsehen
4.2.2 Naiver Empirismus: Physikalische Bodenhaftung
4.2.3 Kritischer Rationalismus: Wissen, was man will
4.3 Blick in die 19 'Empirie`:DieFachdidaktik-Literatur
4.3.1 Drei Autoren
4.3.2 Bewertung: Gute Ubereinstimmung

5.Resumee: Gute Chancen

6.Literaturverzeichnis

Verlockend ist der äußre Schein der Weise dringet tiefer ein.

Wilhelm Busch

1 Einleitung: Auf der didaktischen Metaebene

Die Didaktik fragt - in einer sehr groben Annäherung - zum einen nach den Bildungs- inhalten, zum anderen nach der Methodik der Wissensvermittlung. Die Inhalte sind dem Lehrer durch Bildungspläne relativ detailliert vorgegeben und lassen (was für alle Fächer gilt) wenig Gestaltungsfreiheit. Viel wichtiger ist also das Wie ihrer Umsetzung, die Methodik. Dazu existieren eine Vielzahl von teils allgemein praktisch, teils mehr an den Fachinhalten orientierten Unterrichtsskonzepten, die in der einschlägigen Lite- ratur erschöpfend nachgelesen werden können. Unsere Annahme ist, dass der Umgang mit bzw. die Umsetzung dieser Konzepte dort, wo es primär um Wissen und weniger um soziale Ziele geht, der kritischen Anleitung durch ein belastbares Verständnis von Erkenntnisproblemen allgemein bedarf und davon, wie Erkenntnis unter den Bedin- gungen der Schule funktioniert. Man lernt bzw. lehrt ja sehr viel in der Schule und es wäre eine sträfliche Vernachlässigung, dabei nicht auch wenigsten ein Mal den erkennt- nistheoretischen Status von Objekt und Prozess des Lernens reflektiert zu haben: Was kann überhaupt gewusst oder behauptet werden? Wie kommt man dorthin? Wo liegen die Klippen, die man umschiffen muss? Es geht um eine grundlegende Rückversiche- rung - und das heißt auch: Legitimation - des konkreten Lehr- und Lerngeschehens an erkenntnistheoretischen Zusammenhängen. Das ist insofern ein Thema der Physik- didaktik im speziellen, als die Physik eine exakte Wissenschaft ist, die wie kaum eine andere im Spannungsfeld von Theorie und Empirie stattfindet.

Wir befinden uns mit unserem Referat ausdrücklich auf der Metaebene fachdidaktischer Überlegungen, d.h. eine konkrete Umsetzbarkeit der Referatsinhalte ist deswegen weder angestrebt, sinnvoll noch überhaupt möglich. Die Zwecksetzung des Referates ist eine ganz andere, und dazu eine doppelte:

1. Theoretisch: Grundlegendes Wissen der Wissenschafts-, vor allem aber der Er- kenntnistheorie zu vermitteln und daraus Kriterien für erfolgreiches physikali- sches Lernen im Unterricht zu gewinnen.
2. Praktisch: Die Teilnehmer des Referates durch praktische Selbsttätigkeit und didaktisch angeleitete Reflexion für die Schwierigkeiten zu sensibilisieren, die jedes physikalische Lernen begleiten.

Im Referat wie in der Hausarbeit wird der praktische Teil dem theoretischen voran- gestellt. Im praktischen Teil des Referates sollen die Teilnehmer einen idealtypischen Prozess wissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung kennen lernen und selbst durchlaufen, mit dem Ziel, dabei die prinzipielle Unsicherheit über die Richtigkeit des so Erkannten zu erfahren. Die Idealisierung besteht darin, dass wir gleichermaßen das physikalische Denkvermögen der Teilnehmer wie ihr Unwissen in Bezug auf ein konkretes Phänomen ausnutzen, um auf dieser Grundlage im Viertakt von Beobachtung, Hypothese, Veri- fikation und Theorie einen bestimmten physikalischen Sachverhalt zu durchdringen. Dieser Teil der Stunde wird dann (Diskussions)Grundlage für die theoretische Aufar- beitung im zweiten Teil sein. Darin werden wir ideengeschichtlich und systematisch untersuchen, wo die Schwierigkeiten dieser Methode liegen und was deren erkenntnis- theoretisch Ursachen sind.

Die Argumentation der Hausarbeit folgt in etwa dem Ablauf des Referates. Im ersten Kapitel wird die Zwecksetzung des Referates und der Ablauf der Stunde beschrie- ben. Im zweiten Kapitel geht es um Erkenntnistheorie. Wie im Referat gehe ich von dem (scheinbaren oder vorläufigen) Widerspruch aus, dass Experimente einerseits ein Prüfverfahren für schon aufgestellte oder aus fertigen Theorien abgeleitete Hypothesen sind, im Unterricht aber - im deutlichen Gegensatz dazu - zur Gewinnung von Erkennt- nis, mithin am Beginn eines Prozesses der Erkenntnisgewinnung eingesetzt werden. Ich werde drei wesentliche erkenntnistheoretische Argumentationen historisch erschließen und in die beiden Grundpositionen des ”(naiven)Empirismus“unddes ”kritischen Rationalismus“ überführen. Dabei möchte ich folgende These stützen: Experimente an sich können im Physikunterricht keine Erkenntnis vermitteln; erstens setzen sie be- reits Wissen voraus, und zweitens folgt das aus dem Wesen physikalischer Erkenntnis, der Abstraktheit. Wenn sich der Lehrende darüber im Klaren ist, können Experimente dennoch sinnvoll im Unterricht eingesetzt werden, und zwar in allen Phasen.

Vorneweg eine Klarstellung zur begrifflichen Präzision: Den Begriff ’praktisch‘verwen- de ich an keiner Stelle als umgangssprachliches Füllwort, sondern nur in seiner eigent- lichen Bedeutung, die sich aus der Abgrenzung zum Begriff der Theorie ergibt, also im Sinne von ’indersinnlichen,erfahrbarenRealität‘bzw. ’durchHandelneinlösbar‘. Ganz ähnlich bezieht sich im Folgenden der Begriff ’Theorie‘bzw. ’theoretisch‘immer auf eine wissenschaftliche Theorie im Sinne eines Systems von Hypothesen; an keiner Stelle ist ’theoretisch‘inseinerspekulativenBedeutungzuverstehen.

2 Das Referat: Konzeption und Ablauf

2.1 Zwecksetzung des Referates

Der erste, praktische Teil des Referates und der zweite, theoretische Teil, dem diese Hausarbeit gilt, stehen in einer schlüssigen Verbindung. Am Beispiel optischer Na- turphänomene wollen wir - sozusagen im Selbstversuch - die Schwierigkeiten einer physikalischen Erkenntnisgewinnung, die sich auf Beobachtung stützt, erfahren. Wir nehmen an, dass unser methodisches Arrangement und die Probleme, die sich damit verbinden, durchaus typisch sind für den Physikunterricht. Im zweiten Teil des Refe- rates reflektieren wir diese Probleme unter einer theoretischen Perspektive, die ganz grundlegend die Bedingungen von Erkenntnis in den Blick nimmt. In der gemeinsa- men Diskussion sollen die praktischen Konsequenzen dieser theoretischen Einsichten thematisiert werden. Die gemeinsamen Erfahrungen im ersten Teil mögen dabei als praktische Anhaltspunkte dienen.

2.2 Ablauf

In diesem Unterabschnitt werden unsere Überlegungen zu Gliederung und Durchführung des Referates dargelegt. Wir sind hier - wohlgemerkt - nicht bei den inhaltlichen, son- dern den didaktischen und methodischen Aspekten des Referates, wie es im Seminar um eines hohen ’Wirkungsgrades‘willenrealisiertwerdensoll.

In der Einleitung ist es unser Anliegen, die Konzeption und insbesondere die Zweck- setzung des Referates möglichst einsichtig zu machen: Nämlich dass wir uns auf der didaktischen Metaebene befinden und die Teilnehmer direkt ansprechen, d.h. nicht - wie sonst üblich - einen exemplarischen Unterrichtsentwurf vorstellen. In diesem Sinne ist unser Referat eine genuine, keine inszenierte Lehr- und Lernsituation für die Teil- nehmer. Das funktioniert aber nur, wenn die Teilnehmer sich dessen bewusst sind. Nur so können sie mitdenken und -reflektieren. Gleich zu Beginn stellen wir den Teilneh- mern die Aufgabe, jeweils für sich Desiderate zum Thema auf einen Zettel zu notieren, um so unsere Zuhörer gleichsam Interesse auszurüsten.

’künstlich‘mitindividuellenGesichtspunktenbzw.

Im ersten Hauptteil, der eine vorbereitende und für das Thema sensibilisierende Funk- tion hat, untersuchen wir exemplarisch ein Quasi-Phänomen (die ”BlackBox“),das den meisten Teilnehmern zwar der Anschauung nach bekannt, in seiner Funktions- weise aber noch fremd sein wird. Wir nutzen dabei - das ist der didaktische Trick - das Unwissen der Teilnehmer über die Black Box zur exemplarischen Erarbeitung einer begründeten Erklärung über das Phänomen, sprich einer Theorie. Dazu führen wir begleitend - noch ohne erkenntnistheoretische Fundierung - den Viertakt von Be- obachtung, Hypothese, Verifikation und Theorie ein. Lediglich der zweite Takt wird eigenständig durchgeführt, die verifizierende Auswertung geschieht gemeinsam im Ple- num.

Im dritten Teil sollen die Teilnehmer in Kleingruppen jeweils ein optisches Phänomen der Atmosphäre erklären und dabei nach dem Dreitakt von Beobachtung - Hypothese - Falsifikation/Verifikation verfahren. Sie haben dabei außer ihrem physikalischen Sach- verstand keine Hilfsmittel zur Verfügung. Es wird ausdrücklich dazu ermuntert, auch offensichtlich abwegige Hypothesen zu bilden und diese durch Angabe möglicher Falsi- fikationen auszuscheiden. Durch dieses Arrangement - das Unwissen über ein konkretes Phänomen, das Vortasten in verschiedene Richtungen - soll die prinzipielle inhaltli- che Unsicherheit bzw. Offenheit in Bezug auf das Ergebnis eines letztlich beliebigen Erkenntnisprozesses vorgeführt werden. In der Umkehrüberlegung verdeutlicht diese Erfahrung, wie wenig evident die Herleitung einer Tatsachenbehauptung oder besser: Erkenntnis im Unterricht für die Schüler ist. Die Gruppen haben ihren Argumentati- onsgang knapp vor dem Plenum zu präsentieren.

Im vierten und abschließenden Teil des Referates wird ein Kurzvortrag über die grundlegenden Schwierigkeiten und theoretischen Modelle der Erkenntnisgewinnung die Erfahrungen aus Teil (3) aufgreifen, theoretisch reflektieren und fundieren und so das Thema vom Beispielhaften auf eine abstraktere, allgemeinere Ebene heben. Der Vortrag schließt mit Diskussionsfragen. Kapitel (3) in dieser Hausarbeit gilt der Vertiefung meiner PowerPoint-Präsentation. Diese ist der Hausarbeit angefügt.

3 Erkenntnistheorie: Von Platon bis Popper

In diesem Kapitel geht es um die Theorie naturwissenschaftlicher Erkenntnis. Dazu werden grundlegende Positionen der fast ausschließlich philosophischen Erkenntnis- theorie referiert. Dass die Philosophie die Hoheit über die Erkenntnistheorie inne- hat und die Fachwissenschaften dazu kaum Stellung aus eigener Anschauung beziehen können, ist durchaus nachvollziehbar und war schon innerhalb Platons Akademie eine Selbstverständlichkeit. Jede Einzelwissenschaft konstituiert sich durch eine bestimm- te Verengung des Blickwinkels, hat bestimmte praktische Erkenntnisziele und bleibt deswegen in einer jeweils spezifischen Denk- und Arbeitsweise befangen, wohingegen es der Philsosophie - in diesem Sinne gegenstandslos und keiner Sache verpflichtet - vorbehalten ist, nach den letzten Prinzipien und Gründen zu fragen. Allerdings soll es hier nicht um den philosophischen Diskurs an sich gehen, sondern allein darum, Stand- punkte zu gewinnen, von denen aus Klarheit über das Problem mit Experimenten / Beobachtung im Unterricht erlangt werden kann.

Um die folgende Untersuchung auf ein begrifflich solides Fundament zu stellen, bestimmen wir zunächst einige weitere Schlüsselbegriffe. Es kann sich gleichwohl nur um eine Annäherung handeln.

Erkenntnis: Umgangsprachlich bezeichnet Erkenntnis einen gewussten Sachverhalt ,etwa im Sinne von ”modernsteErkenntnissederPhysikzeigen...“Erkenntnis- theoretisch verstehen wir darunter aber einen Akt des Einsehens, das auf Begründungen und / oder Ursachen bezogene Erfassen eines intersubjektiv nachvollziehbaren Sachverhaltes.

Beobachtung: Die Beobachtung ordnet einem konkreten physischen Objekt be- stimmte Eigenschaften zu wie z.B. Länge, Farbe, Masse. Die Beobachtungser- eignisse müssen ”objektivierbar,d.h.alsSachverhalteeinerobjektivrealenAu-

ßenwelt rekonstruierbar sein“ (vgl. Speck¹⁹⁸⁰:⁷⁴ ). Zur Beobachtung können neben der bloßen Anschauung auch komplizierte Apparaturen wie Zählrohre, optische Instrumente etc. herangezogen werden.

Experiment: Unter Experiment versteht man einmal ” q ualitativ dengeplantenVer- such zur Demonstration gewisser Tatbestände [...] und quantitativ ein Verfah- ren zur Gewinnung reproduzierbarer Meßdaten an künstlichen Versuchsanord- nungen “ (ebd. 208). Über die bloße Beobachtung oder Messung hinausgehend, gehört zum Experiment wesentlich ”die Kontrolle und Veränderbarkeit zumin- dest einiger der involvierten Parameter“ (ebd.).

3.1 Das Problem mit Experimenten / Beobachtungen

3.1.1 Erkenntnis und Vorkenntnis

Experimente oder die wissenschaftliche Beobachtung allgemein sind so alt wie die Physik selbst und an sich nicht kontrovers. Ohne genaues Hinschauen kommt man auf nichts und ohne experimentell nachgeprüft zu haben, darf man kein empirisches Gesetz behaupten. Wo liegt dann das Problem? Richten wir dazu das Augenmerk nochmal auf den Prozess der Erkenntnisgewinnung, wie wir ihn oben praktisch vollzogen haben.

Gegeben war ein optisches Naturphänomen der Atmosphäre. In einem idealtypischen Dreitakt sollten die Teilnehmer das Phänomen möglichst präzise beschreiben (das ent- spricht der empirischen Beobachtung), dann physikalische Hypothesen zur Erklärung des Phänomens formulieren und zuletzt mögliche Falsifikationen angeben, entweder durch experimentelle Nachprüfung oder in Form logischer Folgerungen. Dieses Vorge- hen kann m. E. innerhalb gewisser Grenzen mit der üblichen Methodik des Physikun- terrichts identifiziert werden.

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