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	Aleksandra Kraynova
	Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Fakultät V / Institut für Physik / AG Didaktik und Geschichte der Physik Raum: W2-1-195 Tel.: (0441) 798 - 3513 E-Mail:

Didaktische Rekonstruktion von Nanoscience

1. Ausgangslage und Ziele des Projekts

Das Gebiet der "Nanoscience" wird sowohl in der Fachwissenschaft (vgl. Buchal, 2005) als auch in den Medien immer häufiger diskutiert. Industrie und Politik unterstützen die Entwicklung eines eigenständigen Wissenschaftszweiges und versuchen, den Begriff der "Nanotechnologie" zu etablieren. Eine erste Analyse von wissenschaftlicher und grauer Literatur (z.B. Werbebroschüren) zeigt aber, dass ”nano“ nicht einheitlich definiert ist. Generell sind damit funktionale Oberflächenstrukturen in den Größenordnungen zwischen einem und hundert Nanometer gemeint. Nanoscience befasst sich demnach mit der Untersuchung, Herstellung und Anwendung dieser funktiona¬len Strukturen. Im Übergangsbereich zwischen einzelnen Atomen oder Mole¬külen und größeren Einheiten von Atomen oder Molekülen treten nämlich Phänomene auf, die an makrosko¬pischen Gegenständen nicht beobachtet werden können (vgl. BMBF, 2002). Es gibt derzeit vielfältige Ansätze, das Thema Nanoscience (bzw. Nanophysik) in Studiengänge in den Bereichen Physik, Chemie, Biologie, Elektrotechnik, Werkstoffkunde oder Mikrosystemtechnik zu integrieren. Eine Reihe von Universitäten und Fachhochschulen bieten im Vorlesungsplan Studiengänge im Bereich der "Nanowissenschaften" an. Erste Bemühungen gibt es auch, Unterricht zum Thema Nanoscience für die allgemeinbildende Schule zu entwickeln (so im Projekt "Nano-4-Schools" in der Schweiz). Allerdings ist wenig diskutiert und damit ungeklärt, welche Ziele des naturwissenschaftlichen Unterrichts, speziell des Physikunterrichts, durch einen Unterricht über Nanoscience erreicht werden können. Es besteht die Vermutung, dass Einsichten in moderne Naturwissenschaften anhand der Behandlung des offenbar attraktives und aktuelles Forschungsfeld vermittelt werden können. In einer Untersuchung von Hackl u.a. (2006) wurde das Schülerinteresse an modernen Themen der Naturwissenschaften erhoben. Neben der Nanotechnologie wurden auch die Be¬reiche Gentechnik und Biotechnologie zur Diskussion gestellt. Mittels Fragebogenerhebung wurde das Interesse von 482 Schülerinnen und Schüler der Klassenstufen 8, 9 und 10 aus Kieler Gymnasien untersucht. Im Ergebnis ist das Interesse der Schülerinnen und Schüler an den drei Themen recht hoch; 82% der Befragten äußerten den Wunsch, im Unterricht etwas über Gentechnik zu erfahren, 75% würden im Unterricht gern etwas über Biotechnologie lernen und 77% über Nanotechnologie. Im Projekt wird systematisch untersucht, welche die Grundkonzepte des interdisziplinären Wissenschaftszweiges Nanoscience sind und welchen Bereichen moderner Naturwissenschaften sie zugeordnet werden können (bspw. den Bereichen Festkörperphysik und -chemie, Materialwissenschaften, Mikroelektronik). Es soll weiterhin geklärt werden, welche dieser Konzepte auf dem Hintergrund allgemein akzeptierter oder geforderter Ziele des naturwissenschaftlichen Unterrichts vermittelt werden sollten. Dies schließt die Bildungsstandards als Referenz ein. Und schließlich soll auf empirischem Weg untersucht werden, welche der als zentral und vermittlungswürdig erkannten Konzepte, Prinzipen und Methoden von Schülerinnen und Schülern gelernt werden können. Letzteres setzt die Kenntnis von Schülervorstellungen zu "Nanophänomenen" und -begriffen voraus.

2. Didaktische Rekonstruktion von Nanoscience

Die dargelegten Ziele stimmen mit den Aufgaben der Didaktischen Rekonstruktion überein (vgl. Kattmann u.a., 1997; vgl. Abb. 1 aus Komorek, 2006). Die obligatorischen Fragen, bezogen auf den Inhalt Nano¬science, sind damit die folgenden:

Obligatorische Fragen der Analyse der Sachstruktur

• Welche fachwissenschaftlichen Aussagen, Kon¬zepte und Theorien liegen im Bereich Nanoscience vor und wo zeigen sich deren Grenzen? Welche Methoden der Untersuchung und Manipulation von Nanoobjekten sind zentral?
• Inwiefern ist Nano-Physik ein eigenständiger Zweig der Physik (d.h. ist allein durch die Beschäftigung mit Phänomenen eines bestimmten Größenbereichs ein eigener Forschungszweig begründet)?
• Wo werden Erkenntnisse der Nanoscience grenzüberschreitend angewendet (Chemie, Materialwissenschaften, Festkörperphysik, Bionik, ...)?
• Welche Genese, Funktion und Bedeutung haben diese fachwissenschaftlichen Konzepte von Nanoscience in welchen Kontexten (z.B. Nanotechnologie, Alltag (z.B. Oberflächenbeschichtungen))?






Abb.1 Modell der Didaktischen Rekonstruktion

• Welche Funktion haben sie in der Physik oder in der Technik? Welche Bedeutung haben sie in den Kontexten Technik, Alltag, Gesellschaft, Forschung, ...?
• Welche Bezeichnungen werden in Nanoscience verwendet? Inwiefern behindern sie das Lernen aufgrund ihrer alltagssprachlichen Bedeutung?

• Welche wissenschaftstheoretischen und erkenntnistheoretischen Positionen liegen bestimmten Darstellungen der Sachstruktur von Nanoscience zugrunde?
• Welche Forschungs- und welche Anwendungsfelder sind durch die Erkenntnisse der Nanoscience berührt?
• Welche historischen Wurzeln der Forschung im Nanobereich im 20sten Jahrhundert oder früher gibt es? (Z.B. Vorstellungen zur Miniaturisierung (Isaac Asimov); Science <--> Science Fiction)
• Welche Ziele des Physikunterrichts kann Unterricht über Nanoscience erreichen (s.o.)?
• Wie kann das Gebiet im Sinne Bleichroths (1991) elementarisiert werden (1. Vereinfachung, 2. Zurückführung auf das Elementare, des Exemplarische, 3. Zerlegung in methodische Elemente)?

Zentrale Fragen der empirischen Untersuchungen

• Welche Möglichkeiten haben Schülerinnen und Schüler, die Konzepte der Nanoscience zu lernen?
• Welche Vorstellungen über Nanoscience entwickeln Schülerinnen und Schüler bezogen auf fachlich relevante Phänomene (z.B. Lotuseffekt) und fachliche Konzepte (Oberflächenspannung von Flüssigkeit im Zusammenhang mit Unebenheiten im Nanobereich)?
• Welche Vorstellungen (Begriffe, Konzepte, Denkfiguren, Schemata) von Nanoscience verwenden Schülerinnen und Schüler in fachbezogenen Kontexten? Welche Beziehungen bestehen zwischen ihren Vorstellungen?
• Wie korrespondieren die Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler mit den wissenschaftlichen Vorstellungen im Bereich der Nanoscience?
• Welche Vorstellungen haben die Schüler von der Struktur des Wissenschaftszweiges Nanoscience, von seiner Theoriebildung und von seinen Methoden?

Zentrale Fragen zur Didaktischen Strukturierung und zur Unterrichtsplanung

• Wie können Lernwege von den vorunterrichtlichen Vorstellungen der Schüler zu den wissenschaftlichen Vorstellungen im Bereich der Nano-Physik geplant werden?
• Welche Leitlinien für Unterricht können formuliert werden?
• Wie kann ein Unterricht zu Nanophänomene und zur Nanoscience konzipiert sein?

3. Analytische, empirische und konstruktive Arbeiten

Gegenwärtig werden die analytischen und empirischen Aufgaben einer Didaktischen Rekonstruktion von Nanoscience bearbeitet:

• Analyse der Sachstruktur

  Derzeit findet eine Analyse von Fachliteratur (Lehrbücher und Forschungsartikel), von Schulbüchern und Informationsschriften (z.B. BMBF, 2002) statt. Auch historische und weitere Quellen werden analysiert.

• Analyse didaktischer Bemühungen zur Vermittlung von Nanoscience

  Ansätze, wie sie durch das Projekt "Nano-4-Schools", den übers Land fahrenden "Nanotruck", verschiedene Lehrmaterialien der Industrie für Schulen zum Thema oder z.B. durch den "Nanokoffer" mit Schülerexperimente unternommen werden, werden derzeit unter didaktischen Gesichtspunkten analysiert. Bezugspunkte dafür sind die obligatorischen Fragen der Didaktischen Rekonstruktion.

• Empirische Studien

  Erste Vorstellungsuntersuchungen zu Nanoscience finden derzeit statt. Darin wird untersucht, welche Vorstellungen Schülerinnen und Schüler im Gymnasium der Klassenstufen 9 bis 12 von Nanoscience, ihren Methoden und Anwendungen haben. Lernprozess- und Klassenraumstudien sind geplant:

1. Die Durchführung einer so genannten Teaching Experiment-Studie, bei der Gruppen von drei bis vier Schülerinnen und Schülern entlang einer Reihe von Phänomenen oder Experimenten interviewt werden. Vorstellungserhebung und Lernprozessuntersuchung gehen dabei Hand in Hand. Ein Teaching Experiment ist mit dem problemzentrierten Interview nach Lamnek und auch mit dem kritischen Interview nach Piaget zu vergleichen. Der Vorteil einer solchen Studie liegt in der guten Steuerbarkeit der Prozesse und der relativen Flexibilität.

2. Zusammen mit erfahrenen Lehrkräften wird ein Unterrichtskonzept für die Schule entwickelt und erprobt, wobei die ablaufenden Prozesse und der Erfolg des Unterrichts evaluiert werden. Der Vorteil einer solchen Studie liegt in der Nähe zum realen Unterricht.

• Leitlinien für Unterricht

In beiden Fällen werden zunächst Leitlinien für die Untersuchungs-/Unterrichtsplanung entwickelt, die Ergebnisse der Sachstrukturanalyse und erster empirischer Studien einbeziehen. Hier wird evtl. an eine erste Strukturierung von Hackl u.a. (2006) angeknüpft werden, der als mögliche Leitlinie für die Planung von Unterricht zu Nanoscience die Orientierung am Menschen vorschlägt, der sich mit Nanoscience in unterschiedlicher Weise befasst, nämlich

1. als Beobachter, der Nanophänomene versteht, Modelle z.B. für Oberflächen von Festkörpern entwickelt, Methoden der Beobachtung (Lichtmikroskop, Elektronenmikroskop, Rastertunnelmikroskop) einsetzt;

2. als Manipulator, der Erkenntnisse der Beobachtung umsetzt (z.B. in der Gen-Technik, die sich auch im Nanobereich abspielt);

3. als "Schöpfer", der Erkenntnisse von Beobachtung und Manipulation umsetzt (z.B. wenn er neue Oberflächen mit neuen Eigenschaften entwickelt); Chancen und Risiken der technologischen Entwicklung spielen hierbei eine Rolle.

Literatur

Kattmann, U., Duit, R., Gropengießer, H. & Komorek, M. (1997) das Modell der Didakti¬schen Rekonstruktion. ZfDN 3, 3-18. BMBF (2002). Nanotechnologie in Deutschland, Bonn/Berlin. Buchal, Ch. (2005). Faszination Nanowelten. Center of Nanoelectronic Systems, Jülich. Komorek, M. (2006). Lehren und Lernen nichtlinearer Physik - eine Didaktische Rekon¬struk¬tion. Habilitationsschrift. Kiel. Hackl R. & Mikelskis-Seifert, S. (2006). Nano-Science: Strukturentwicklung für den Unter¬richt. CD zur Jahrestagung der DPG in Kassel. Bleichroth, W. (1991). Elementarisierung als Kernstück der Unterrichtsvorbereitung. NiU 39, 4-11.

08.1991 – 06.1996

Staatliche Universität Kaliningrad

26.06.1996

Abschluss: Diplom - Physikerin
Diplomarbeit: „ Studien der Computertechnologien und ihre Anwendung bei der Forschung der elliptischen Funktionen“

09.1981 – 06.1991

Mathematische Schule, Kaliningrad
Abschluss: Abitur

• 31.01.2007 Vortrag im hochschuldidaktischen Kolloquium „Nanophysik im Unterricht“
• 02.- 05.11.2006 Deutsche Physikerinnentagung in Berlin
• 25.-26.10.2006 Doktorandenkolloquium der GDCP in Bad Zwischenahn Fachliche Zuordnung: Didaktik der Chemie und der Physik
• 25.-26.07.2006 Workshop im Rahmen ProDid in Steinkimmen
• 11.10.2005 Fortbildungsseminar in Braunschweig bei National Instruments “High-End-Messgeräte kostengünstig und einfach integrieren- PC-basierte Oszilloskope, Funktionsgeheratoren, Digitalmultimeter $ Co”
• 08.-09.12.2005 Trainingskurs in Hamburg bei National Instruments „Labview Advanced Programming“
• 25.-26.08.2005 Trainingskurs in München bei National Instruments “Labview Basics 2”
• 27.-29.06.2005 Trainingskurs in München bei National Instruments “Labview Basics 1”
• 29.-30.04.2005 Congress “Virtuelle Instrumente in der Praxis –VIP 2005” Veranstaltungsforum Fürstenfeld bei München National Instrument.

Andere Tätigkeitsfelder

01.2005-01.2006 Projektmitarbeiterin des Forschungsprojektes „Entwicklung eines lokalen Netzwerkes zur Durchführung ausgewählter physikalischer Experimente“ Fachliche Zuordnung: Informatik-Hochschuldidaktik/PhysikdidaktikProjektleitung: Prof. Eberhard Schwarzer; Dr. Walter Franzbecker.09.2004-03.2006 Teilnehmerin des Projektes „Spiel, Spaß und Physik“ Fachliche Zuordnung: Physikdidaktik Projektleitung: Dr. Roland Hermann.