Grundgrößen in der Physikdidaktik

◀▷Während die Grundgrößen (Basiseinheiten) der Fachwissenschaft Physik durch das Internationale Einheitensystem (SI, Système international d’unités) festgelegt wird, ist die Übernahme dieser menschen-gemachten Konvention in die Physikdidaktik weder obligatorisch, noch erscheint sie bei genauerer Betrachtung in jedem Fall sinnvoll. In einer Unterrichtsreihe zum elektrischen Strom wäre es also theoretisch denkbar, an Stelle der im SI als Basisgröße definierten Stromstärke I die Spannung U als Grundgröße einzuführen. Ein solches Vorgehen könnte beispielsweise im Zusammenhang mit der im Abschnitt Analogien diskutierten Wasser-Analogie gerechtfertigt werden, wenn man anstelle der Fließvorstellung die Druckunterschiede in das Zentrum der Betrachtung stellen würde.

Mit Blick auf die lebensweltliche Bedeutung der Naturwissenschaften als „Hilfe zur Bewältigung der Welt“ (Bleichroth, 1961) macht die in den Unterrichtsrichtlinien vorgeschriebene Übernahme des SI-Einheitensystems allerdings Sinn. Wichtiger als die eigentliche Auswahl der Basiseinheiten ist für die Physikdidaktik ohnehin das Wissen um die Existenz einer Wahlmöglichkeit, die auch im Unterricht explizit angesprochen werden sollte. Ein Ziel von Physikunterricht ist es ja gerade, den Schülern die Physik als eine mögliche Perspektive auf die Welt nahezubringen. Es gilt also den Schülern zu vermitteln, dass anstelle der gebräuchlichen Basiseinheiten Länge, Masse, Zeit, Stromstärke, thermodyn. Temperatur, Stoffmenge, Lichtstärke auch jedes andere Größensystem genutzt werden könnte, das eine Basis aller Größenarten bildet. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass eine höhere Anzahl an Basisgrößen zwar einen direkteren Bezug zur Alltagserfahrung ermöglicht, gleichzeitig aber die Gefahr in sich trägt, derart unübersichtlich zu werden, dass Beziehungen unter den Größen, also die eigentlichen physikalischen Zusammenhänge verdeckt werden. Eine Beschränkung der Anzahl an Grundgrößen nach folgenden didaktisch relevanten Kriterien macht daher Sinn:

Grundgrößen für den Physikunterricht sollten ...

• anschaulich sein
• Lebensweltrelevanz für die Schüler besitzen
• interdisziplinär relevant sein (Bsp.: Energie in Physik, Biologie, Chemie)
• Eigenschaftscharakter haben
• die Möglichkeit zur einheitlichen Beschreibung vieler unterschiedlicher Phänomene bieten
• im Unterricht nur umständlich oder gar nicht aus anderen Größen ableitbar sein

Im Hinblick auf das Ziel bei den Schülern ein Bewusstsein für den Zusammenhang von Empirie und Konvention bei der Wahl von Grundgrößen zu schaffen, sollte der Prozess der Begriffsbildung (vgl. vorangegangenen Abschnitt), der mit der Festlegung einer Basiseinheit unweigerlich einhergeht, im Unterricht möglichst transparent und nachvollziehbar werden. Diese Transparenz lässt sich beispielsweise durch den von Schlichting/Backhaus gewählten Dreischritt von Gleichheit, Vielfachheit und Einheit fördern. Nachdem zu Beginn der Begriffsbildung durch Beobachtungen am Phänomen und Modellbildung die Notwendigkeit der Einführung einer neuen Größe zur Beschreibung der erkannten Auffälligkeiten und Regelmäßigkeiten von den Schülern erkannt und akzeptiert wurde, wird im ersten Schritt auf einer qualitativen Ebene festgelegt, wann eine Eigenschaft bei zwei Objekten gleich stark ausgeprägt ist (Gleichheit). Daraufhin werden im halb-quantitativen Vergleich (Vielfachheit) die unterschiedlichen Ausprägungsgrade untersucht, um abschließend durch das Festlegen einer Skala (Einheit) den Begriff mittels Zuordnung einer Basiseinheit als Basisgröße zu etablieren. Dadurch, dass die Schüler diesen Dreischritt handelnd selbst vollziehen, soll nicht nur ein tieferes Verständnis der Grundgröße selbst aufgebaut, sondern auch das oben angesprochene Bewusstsein für die Willkür bei der Festlegung von Grundgrößen – insbesondere im letzten der drei Schritte – gefördert werden. Damit einher geht eine Relativierung der physikalischen Weltbeschreibung im Sinne einer wissenschaftskritischen Didaktik, die wie Wagenschein es fordert, Physik als einen Aspekt des Weltverstehens begreift.