Karlsruher Physikkurs

Ziel und Einordnung

Der Karlsruher Physikkurs (KPK) ist ein Vorschlag zur Neustrukturierung des Physikunterrichts in Schule und Hochschule. Er wurde am Institut für Didaktik der Physik der Universität Karlsruhe vor allem von Gottfried Falk, Wolfgang Ruppel und Friedrich Herrmann ausgearbeitet; wichtige Beiträge leistete außerdem der Physiko-Chemiker Georg Job.

Der KPK soll Kenntnisse in Mechanik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre und Atomphysik durch ein gemeinsames Bilanzierungskonzept vermitteln. Dieses baut auf der Gibbsschen Formulierung der Thermodynamik auf und verbindet verschiedene Teilgebiete durch begriffliche Analogien. Der Kurs ist fachlich und fachdidaktisch kontrovers. Ein unabhängiger Nachweis, dass er effektiver ist als herkömmliche Physikkurse, liegt nicht vor.

Grundideen und physikalische Konzepte

Zentrales Prinzip ist die Unterscheidung zwischen extensiven und intensiven Größen. Extensive Größen sind mengenartige Größen, die in einem System gespeichert und zwischen Systemen übertragen werden können, etwa elektrische Ladung, Entropie oder Impuls. Zu ihnen gehören intensive Partnergrößen wie elektrisches Potential, Temperatur und Geschwindigkeit. Eine Differenz der intensiven Größe wird als Antrieb für den Strom der jeweiligen extensiven Größe verstanden. Für die verschiedenen Teilgebiete werden Bilanzgleichungen formuliert.

In der Mechanik steht der Impuls am Anfang. Der KPK behandelt ihn als substanzartige Größe: Wie elektrische Ladung kann Impuls in einem Körper gespeichert und auf einen anderen übertragen werden. Für den Impuls wird die eigens eingeführte Einheit „Huygens“ verwendet; sie gehört nicht zum Internationalen Einheitensystem. Dies wird damit begründet, dass der Impuls der klassischen Mechanik nur ein Sonderfall eines allgemeineren Impulsbegriffs sei.

Die Übertragung von Impuls heißt Impulsstrom. An die Stelle der Kraft tritt die Impulsstromstärke. Sie wird als Ursache von Beschleunigungen und mechanischen Spannungen verstanden.

In der Thermodynamik wird die Entropie, eine grundlegende Größe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, deutlich früher als in üblichen Unterrichtsgängen eingeführt. Nach Auffassung der Karlsruher Didaktiker präzisiert sie verständlich Vorstellungen, die in der Alltagssprache als „Wärme“ bezeichnet werden. Der KPK verwendet für die Entropie die eigens entwickelte Einheit „Carnot“.

In der Atomphysik verzichtet der KPK auf übliche Atommodelle wie das Bohrsche Atommodell. Stattdessen beschreibt er die Elektronen durch das „Elektronium“. Dabei handelt es sich um eine kontinuierliche, über das gesamte Atom verteilte fiktive Substanz. Ihre Dichte entspricht der quantenmechanischen Aufenthaltswahrscheinlichkeitsdichte.

Erprobung und Weiterentwicklungen

Von 1988 bis 1992 wurde der Karlsruher Physikkurs an etwa 20 Schulen in Baden-Württemberg erprobt. Ab 1994 erlaubte eine Sonderklausel im Bildungsplan dieses Bundeslandes den Einsatz der Kursmaterialien. 2004 wurden die Lehrbücher des KPK in Baden-Württemberg für die Sekundarstufe I zugelassen. Am Europa-Gymnasium Wörth in Rheinland-Pfalz wurde der Kurs ebenfalls erprobt; dort legten Schülerinnen und Schüler 2012 in einem Sonderkurs das Abitur nach diesem Modell ab.

Auch an einigen Gymnasien in Shanghai wurde der KPK erprobt. Im September 2014 wurde in China ein auf dem KPK beruhendes Lehrwerk als Schulbuch zugelassen. Übersetzungen liegen in Englisch, Französisch, Italienisch, Russisch, Schwedisch und Spanisch vor.

Andrea diSessa schlug unabhängig beziehungsweise parallel ebenfalls vor, den Impulsstrom beim Unterricht der elementaren Mechanik zu verwenden. Seine Veröffentlichung zielte jedoch nicht auf einen Einsatz in der Sekundarstufe I. Außerdem wies er ebenso wie das DPG-Gutachten darauf hin, dass beim Impulsstrom – anders als beim elektrischen Strom – die Stromrichtung nicht gemessen werden kann.

Auf Grundlage des Karlsruher Physikkurses entwickelten Werner Maurer und Hans Ulrich Fuchs an der Zürcher Hochschule Winterthur die „Physik der dynamischen Systeme“. Sie nutzt systemdynamische Modellierungstechniken und orientiert sich an der mathematischen Sprache der Kontinuumsphysik.

Rezeption und Gutachten der DPG

Nach kritischen Stellungnahmen des Deutschen Vereins zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts (MNU) fand 1998 ein Symposium statt. Dort kam es zu einer gewissen Annäherung der unterschiedlichen Standpunkte.

Die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) ließ 2012 ein Gutachten zum KPK erstellen, das 2013 ergänzt wurde. Das Gutachten ist selbst nicht unumstritten, lehnt den Kurs aber deutlich ab. Am 12. Februar 2013 wurde es veröffentlicht. Die DPG sprach dem KPK die fachliche Fundierung ab und riet „mit Nachdruck“ von seiner Verwendung an Schulen ab.

Nach Auffassung der Gutachter erzeuge der KPK ein grundsätzlich falsches Bild von Physik und vermittle inhaltlich fragwürdige oder falsche Konzepte. Kritisiert wird besonders der Impulsstrom: Seine Richtung werde durch eine Konvention festgelegt und hänge damit von der Wahl des Koordinatensystems ab. Er sei deshalb keine objektive Systemeigenschaft. Beim elektrischen Strom gebe es zwar ebenfalls eine Vorzeichenkonvention, die Stromstärke könne aber mit einem entsprechend kalibrierten Amperemeter objektiv gemessen werden. Der KPK erkennt Impulsströme auch in statischen Situationen. Die Aussage, solche Ströme enthielten keinen physikalischen Impuls und verletzten deshalb den Impulserhaltungssatz, wird allerdings bestritten.

In einer homogenen Flüssigkeit ohne Scherkräfte würde der Druck im KPK-Bild als Impulsstromdichte bezeichnet. Die Impulsstromdichte geht jedoch über den Druck hinaus, weil sie eine tensorielle Größe ist, während der Druck skalar ist. Kritiker meinen, dieser Unterschied müsse im Unterricht bis in Hochschulkonzepte hinein übergangen werden. Zugleich ermöglicht die Beschreibung eine einheitliche Darstellung von Zug-, Schub- und Scherkräften.

Die DPG kritisiert außerdem die Deutung der Entropie als „Wärme“. Wärme sei in der Thermodynamik eine klar definierte Prozessgröße, etwa als erzeugte oder aufgenommene Wärmeenergie, während Entropie eine Zustandsgröße sei. Die unterschiedlichen Einheiten machten die Trennung ebenfalls deutlich. Außerdem erfasse die Wärmedeutung die Entropiezunahme irreversibler Prozesse, besonders ohne Wärmezufuhr, nicht vollständig.

Weitere Kritikpunkte betreffen die Verwendung „magnetischer Ladungen“ zur Erklärung der Magnetisierung anstelle magnetischer Dipole sowie die Vorstellung eines „Trägers“ elektromagnetischer Wellen. Das Vakuum werde dabei nach Ansicht der DPG als neuer Name für den Äther verwendet. Schließlich seien die Formulierungen des KPK so weit von der etablierten Fachsprache entfernt, dass Techniker und Wissenschaftler sie selbst an Hochschulen nicht verstehen könnten. Die Gutachtergruppe um Bartelmann et al. erklärte den KPK daher sowohl als Grundlage des Physikunterrichts als auch als Leitlinie für physikalische Lehr- und Bildungspläne für ungeeignet.