Der mehrfach ausgezeichnete Physikdidaktiker Thomas Wilhelm erforscht, warum Physikunterricht teils schlecht funktioniert und wie man es besser machen kann – zum Beispiel auch durch den Einsatz von Computerprogrammen. Ab Januar 2025 stehen Schulen neue Unterrichtsmaterialien zum Thema „Bewegung“ online zur Verfügung.
UniReport: Herr Prof. Wilhelm, physikdidaktische Ideen aus der Forschung werden in der Schule oft nicht umgesetzt – das hat Ihr Doktorand Jakub Knebloch in Interviews mit Lehrkräften herausgefunden. Als Grund nannten sie: Wir haben zu wenig Zeit. Oder: Die Vorschläge aus der Hochschuldidaktik sind zu ambitioniert und im Schulalltag nicht umsetzbar. Woran hapert es also: An der Situation in der Schule und an den didaktischen Angeboten, die von der Universität kommen?
Thomas Wilhelm: Eines möchte ich klarstellen: Wir betreiben keine Lehrerschelte. Viele Physiklehrkräfte bemühen sich sehr und unterrichten mit Leidenschaft – trotzdem können wir feststellen, dass viele Grundideen im Unterricht bei den Schülerinnen und Schülern nicht ankommen. Die Lernenden haben nach dem Unterricht über ein physikalisches Thema oft noch die gleichen, fachlich falschen Vorstellungen wie vorher.
Schülerinnen und Schüler kommen mit falschen Vorstellungen in den Unterricht?
Was ich damit meine, ist: Sie kommen mit Alltagsvorstellungen in den Physikunterricht – etwa darüber, was Kraft ist, was Energie, was Strom, was Wärme, was Licht ist. Diese Vorstellungen sind ganz anders als die physikalischen Vorstellungen.
Nennen Sie bitte ein Beispiel …
Wir denken zum Beispiel, dass wir sehen, weil wir einen Blick auf etwas werfen; in der Physik lernen wir aber, dass der Gegenstand Licht ins Auge schickt. Im Alltag reden wir davon, dass man Kraft haben muss, um etwas tun zu können; in der Physik lernen wir, dass man Kraft gar nicht haben kann, sondern dass nur im Augenblick einer Wechselwirkung eine Kraft da ist. Die Alltagssprache und die Fachsprache der Physik gehen auseinander. Und das macht Physiklernen auch schwer, weil man dauernd umlernen muss.
Heißt das, Schülerinnen und Schüler müssen in ihren Vorstellungen erst einmal enttäuscht werden?
Es ist gar nicht so geschickt, ihnen am Anfang eines Themas gleich deutlich zu machen, dass die Physik anders denkt als sie. Geschickter ist es, an Vorstellungen, die einigermaßen richtig sind, anzuknüpfen.
Wissen Physiklehrerinnen und -lehrer das?
Früher hatte man dafür kein Bewusstsein. Man ging davon aus, Schülerinnen und Schüler haben kein Vorwissen, also kann man sie einfach physikalisch belehren. Weil es aber diese speziellen Lernschwierigkeiten gibt, war die Physik eines der ersten Fächer, das Schülervorstellungen untersucht hat. Das begann in den 70er Jahren. So gibt es heute Unterrichtskonzeptionen, die diese Lernschwierigkeiten berücksichtigen. Kolleg*innen und ich haben dazu viele Konzeptionen entwickelt und vor allem auch im Unterricht empirisch getestet. Mittlerweile habe ich auch ein Buch herausgegeben, in dem wir andere Konzeptionen als die traditionellen beschreiben. Trotzdem werden aber noch immer Konzepte verwendet, die schon sehr alt sind.
Sie haben, nachdem Sie 2012 nach Frankfurt gekommen sind, ein Schülerlabor gegründet – mit viertausend Schülerinnen und Schülern pro Jahr inzwischen das größte an der Goethe-Universität. Sie nutzen das Labor nicht nur zum Unterrichten, sondern auch zur Erforschung dieser neuen didaktischen Konzepte.
In erster Linie ist das Schülerlabor natürlich ein Service für die umliegenden Schulen. Wir führen zum Beispiel Schülerinnen und Schüler an Themen heran, für die die Schulen oft keine Zeit haben. Aber wir können die Schülerlabore natürlich auch gut für die didaktische Forschung nutzen. Und zwar in zwei Richtungen: Wir erforschen, wie Unterrichtskonzepte bei den Schülern ankommen. Und wir befragen die Lehrkräfte.
Ihr Steckenpferd ist der Einsatz von Computern, Tablets und Smartphones im Physikunterricht. Manche Lehrerin, mancher Lehrer würde vielleicht sagen: Auch das noch! In Ihrem Kooperationsprojekt mit dem Hessischen Kultusministerium, das 2024 zu Ende geht, stellen Sie Lehrenden aber ab 2025 kostenlos jede Menge Unterrichtsmaterialien zum Thema „Bewegung“ zur Verfügung.
Ich habe mich schon in meiner Habilitation damit befasst, wie Schülerinnen und Schüler Bewegungen analysieren und visualisieren können, die vorher gefilmt wurden. Eine Software erfasst dann, wo das Objekt wann ist, welche Geschwindigkeit und Beschleunigung vorliegen und welche Kräfte wirken. Wir haben es also mit einer realen, gefilmten Bewegung zu tun und nicht mehr mit dem Wägelchen, das auf dem Experimentiertisch entlangfährt. Ab Januar dieses Jahres gibt es jetzt Tutorials, Videos und Arbeitsblätter für den Einsatz mit iPads, die über eine Webseite abrufbar sind.
Ihr Doktorand Jannis Weber erforschte ja außerdem genauer, wie der Computer beim Lernen der Mechanik eingesetzt werden kann.
Ja, eine Möglichkeit ist: Wir filmen eine Bewegung und messen dann, wie die Bewegung verlaufen ist. Ein anderer Zugang wäre, wir überlegen uns bei einer Bewegung, welche Kräfte wirken, und lassen uns vom Computer berechnen, wie sich das Objekt dann bewegen müsste. Und dann können wir vergleichen, ob die Bewegung, die nach unserer Berechnung visualisiert wird, wirklich die ist, die wir gesehen haben. Die Schülerinnen und Schüler lernen so etwas über Bewegung und Kräfte, aber über einen ganz anderen Zugang. Welcher der beiden Zugänge ist jetzt der hilfreichere? In den Schülerlaboren haben wir das untersucht: mit exakt denselben Experimenten. Viele hatten vorher vermutet, dass das Experimentieren den Jugendlichen Spaß macht, dass sie aber das Am-Computer-Berechnen und -Modellieren langweilig finden und auch nicht verstehen würden. Das Ergebnis war aber ganz anders! Es gab zwischen den beiden Schülerlaboren fast keine Unterschiede. Beide Male hatten die Schülerinnen und Schüler viel dazugelernt und gleich viel Spaß.
Warum sind solche neuen Konzeptionen noch nicht in vielen Lehrplänen zu finden?
In der erwähnten Lehrkräftebefragung hat mein Doktorand zum Beispiel herausgefunden, dass viele Physiklehrer die neuen Konzepte gar nicht kennen. Sie sind ihnen weder im Studium noch im Referendariat begegnet und es gibt keine passenden Informationskanäle. Zweitens: Der Lehrplan ist zu voll, um Neues zu erarbeiten; es gibt zu viele Vorgaben, eine zu hohe Arbeitsbelastung et cetera. Ein dritter Punkt ist, dass manche Konzeptionen, die von uns Hochschuldidaktikern kommen, gar nicht unterrichtspraktisch sind. Ein ganz entscheidender Aspekt liegt also gar nicht bei den Lehrkräften, sondern bei den Didaktikern: Sie machen ihre Ideen nicht genug bekannt und kümmern sich auch nicht darum, dass sie leicht im Unterricht umsetzbar sind. Wir sehen aber jetzt, dass unsere empirisch geprüften Konzeptionen langsam in Lehrpläne aufgenommen werden. Zum Beispiel gehört das Konzept zur Einführung in die Mechanik oder das zur Behandlung von Stromkreisen jetzt in Hamburg, Bayern und in Österreich zum Lehrplan. Aber in anderen Bundesländern dauert es eben noch.
Warum?
Es gibt Bundesländer, in denen sich eine Expertenkommission nach guten Konzepten umschaut und diese dann den Schulen vorgibt. In Hessen gibt es dagegen in der Sekundarstufe I nur ein Kerncurriculum, das den Lehrkräften sehr große Freiheiten lässt, wie sie was wann unterrichten. Die Schulen sind dann aufgerufen, ein Schulcurriculum zu erstellen. Und das ist ein Problem, weil keine Zeit da ist, um Fachliteratur zu lesen …
Die Freiheit führt also manchmal dazu, dass alles beim Alten bleibt?
Wenn eine Schule Lehrkräfte hat, die sich für fachdidaktische Forschung interessieren, dann kann sie ein sehr modernes Schulcurriculum haben. Aus meiner Sicht sind aber damit viele Schulen überfordert.
Zum ersten Mal seit 1980 hat jetzt eine Physikerin den Robert-Wichard-Pohl-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft erhalten. Und zwar für ihre physikdidaktischen Leistungen. Sie, Herr Wilhelm, waren Preisträger im Jahr davor und vor Ihnen gab es auch schon andere Frankfurter Preisträger. Die neue Preisträgerin Rita Wodzinski, die seit 2000 an der Universität Kassel forscht und lehrt, hat in Frankfurt promoviert, also hier ihre didaktische Ausbildung erhalten. Ist Frankfurt in der Physikdidaktik stark?
Ich möchte jetzt nicht unsere eigene Arbeit bewerten. Aber vielleicht passt die Kandidatin zu dem, was ich vorab gesagt habe: Ab den 70er und dann in den 80er und 90er Jahren war Frankfurt in der Untersuchung von Schülervorstellungen führend und hat ausgehend davon neue Unterrichtskonzeptionen entwickelt. Bekannt ist zum Beispiel das Mechanik-Konzept, zu dem Frau Wodzinski in den 90er Jahren promoviert hat. Es handelt sich um das Konzept, das jetzt in einigen Bundesländern verpflichtend eingeführt worden ist. Da sieht man, wie lange der Weg in die Schulen manchmal dauert – in diesem Fall 30 Jahre.
Wenn Sie jetzt an die kommenden Jahre denken – welche neuen Unterrichtskonzepte haben Sie da noch im Sinn?
Uns gehen die Themen natürlich nicht aus. Derzeit ist Klimawandel ein aktuelles Thema: Die Uni Innsbruck hat zum Beispiel gerade ein Unterrichtskonzept zum Thema „Treibhauseffekte“ entwickelt. Die Aufgabe eines meiner Doktoranden ist jetzt, das Konzept empirisch im Schulunterricht zu untersuchen. Und dann hoffen wir natürlich, dass es nicht wieder dreißig Jahre dauert, bis dieses Konzept im Unterricht ankommt.
