Naturwissenschaften

Die Sinne bilden den natürlichen Zugang der Schülerinnen und Schüler zu ihrer Umwelt. Mithilfe der sinnlichen Wahrnehmung gelingt es Menschen und Tieren, sich in ihrer Lebenswelt zu orientieren. Im Zusammenspiel von Reizaufnahme und Informationsverarbeitung entstehen subjektive Eindrücke, die täuschen können. Technische Hilfsmittel (z. B. Kompass) ermöglichen Einblicke in Sinneswelten, die dem Menschen nicht direkt zugänglich sind. Die Kombination aus subjektiver Wahrnehmung und durch Experimente und Untersuchungen erhaltenen objektiven Messgrößen ermöglicht den Schülerinnen und Schülern eine erweiterte Betrachtung ihrer Lebenswelt (vgl. Kerncurriculum).

Das zweite Themenfeld nimmt wiederkehrende Veränderungen im Alltagsleben der Schülerinnen und Schüler in den Blick. Hierbei geht es um den täglichen Wechsel zwischen hell und dunkel bzw. Tag und Nacht, den monatlichen Wechsel der Mondphasen und den jährlichen Wechsel der Jahreszeiten. Der Wechsel der Jahreszeiten stellt die Brücke vom Alltag der Schülerinnen und Schüler zum Leben der heimischen Tierwelt dar. Diese zeigen eine Angepasstheit an die jährlich wiederkehrenden Veränderungen der Umwelt. Um ein Verständnis dieser Angepasstheiten zu erreichen, ist gleichermaßen eine Betrachtung biologischer wie physikalischer Aspekte erforderlich (vgl. Kerncurriculum).

Zum ersten Mal wird der Blick modellhaft auf die submikroskopische Ebene gerichtet. Zur Deutung wird das Denken auf zwei Ebenen eingeführt, der Ebene der Stoffe und der Ebene der Teilchen. Im Sinne eines wissenschaftspropädeutischen Ansatzes bieten sich viele Experimente und deren Deutung auf submikroskopischer Ebene an. Daher stellt das sichere Arbeiten im Fachraum den ersten Schwerpunkt des Themenfelds dar. Im Zentrum der Betrachtung steht dabei das Wasser. An diesem Stoff werden die Unterschiede zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Aggregatzustand sowie die Prozesse beim Wechsel des Aggregatzustands modellhaft auf der Teilchenebene erklärt (vgl. Kerncurriculum).

Pflanzen sind für die Schülerinnen und Schüler häufig unbemerkte Begleiter ihres Lebens. Das folgende Themenfeld stellt die zentrale Bedeutung von Pflanzen für die Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler in den Vordergrund. Die Kenntnisse über die Stoffeigenschaften des Wassers schaffen den thematischen Übergang zu pflanzlichen Lebewesen, die durch ihren Bau zur Aufnahme von Wasser, Luft und Mineralsalzen fähig sind. Die Wertschätzung der Pflanzen soll in diesem Themenfeld grundlegend angelegt werden. Das Themenfeld eröffnet den Schülerinnen und Schülern erstmalig die Gelegenheit, mithilfe des Mikroskops Einblicke in die Welt des scheinbar Nicht-Sichtbaren zu erhalten (vgl. Kerncurriculum).

Der Reinhaltung von Wasser und Luft kommt in unserer Welt eine große Bedeutung zu. Der Reinstoff Wasser findet im Alltag Verwendung als Lösemittel zur Herstellung verschiedener Stoffgemische. Die Rückgewinnung des sauberen Wassers mithilfe von Stofftrennverfahren auf Basis der in Themenfeld 3 erarbeiteten Stoffeigenschaften und des einfachen Teilchenmodells bilden den ersten Schwerpunkt dieses Themenfeldes. In einem zweiten Schwerpunkt lernen die Schülerinnen und Schüler Luft als ein Stoffgemisch kennen, das unser Leben und unsere Gesundheit maßgeblich beeinflusst. Der Aufbau und die Funktionsweise der Atmungsorgane und des Blutkreislaufs werden in diesem Zusammenhang beschrieben. Erst durch die gemeinsame Betrachtung biologischer und chemischer Aspekte wird es den Schülerinnen und Schülern möglich, die Zusammenhänge dieses Themenfeldes zu erkennen (vgl. Kerncurriculum).

Das Ziel dieses Themenfeldes liegt in der Verknüpfung von Struktur und Funktion des menschlichen Bewegungsapparates mit den physikalischen Phänomenen der mechanischen Kräfte und ihrer Messbarkeit. Die eigene Körpererfahrung ermöglicht einen Brückenschlag zu den abstrakter werdenden physikalischen Inhalten. An dieser Stelle lernen die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit Größen, Einheiten und einfachen Messgeräten.  Durch den Gesundheitsbezug in den prozessbezogenen Kompetenzen werden zusätzlich Anschlüsse an gesellschaftsrelevante Aspekte ermöglicht (vgl. Kerncurriculum).

Elektrizität  ist  Schülerinnen  und  Schülern  aus  ihrem  häuslichen  Umfeld  in  vielfacher  Art  und  Weise  bekannt.  In  diesem  Themenfeld  werden  die  vielfältigen  Wirkungen  der  Elektrizität  mit  einfachen  Versuchen  unterschieden.  Die  Schülerinnen  und  Schüler  lernen  dabei,  in  eigenen  Experimenten  Bestandteile  elektrischer Stromkreise  zu  erkunden (vgl. Kerncurriculum).

Die Schülerinnen und  Schüler  nehmen  ihrem  Alter  gemäß  entwicklungsbedingte  Veränderungen  an  ihrem  Körper  wahr.  In  diesem  Themenfeld  wird der  Weg  zum Erwachsenen  in  den Mittelpunkt gestellt.  Neben  dem  Aufbau  von  primären und  sekundären  Geschlechtsmerkmalen  sollen die  wesentlichen  Entwicklungsschritte in der  Individualentwicklung  des  Menschen  thematisiert  werden.  Weitergehend  sind,  bezogen auf  die  sexuelle  Fortpflanzung  des  Menschen,  ausgewählte  Verhütungsmethoden  im  Unterricht  zu  behandeln (vgl. Kerncurriculum).

In diesem Themenfeld lernen die Schülerinnen und Schüler die Energie als Erhaltungsgröße kennen und setzen sich mit der Umwandlung, Speicherung und den Flüssen von Energie auseinander (vgl. Kerncurriculum).

Verbrennungsreaktionen als Beispiel für chemische Reaktionen ermöglichen die gemeinsame Betrachtung von biologischen Kreisläufen, Stoffumwandlungen und Energieumsätzen (vgl. Kerncurriculum).

Das Ziel des Themenfeldes ist die Verknüpfung physikalischer Aspekte mit der Funktion und Struktur des menschlichen Auges. Sinnesorgane sind natürliche Sensoren, die uns helfen, unsere Umwelt wahrzunehmen und uns sicher in ihr zu bewegen und zu orientieren. Die Augen haben dabei für uns Menschen einen besonderen Stellenwert, da sie unser wichtigstes Sinnesorgan sind. Die Beschäftigung mit Sehfehlern und deren Korrekturen bilden eine wichtige Anwendung des Gelernten und stellen einen Bezug zur Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler dar (vgl. Kerncurriculum).

Der nachhaltige Umgang mit Energieträgern setzt wesentlich ein Verständnis der Energieerhaltung und der Entwertung von Energieträgern voraus. Die alltagssprachliche und physikalisch nicht korrekte Wendung „Energieverbrauch“ ist dabei aufzugreifen und in die Vorstellung der Energieumwandlung und der dabei gegebenenfalls erfolgenden Energieentwertung zu korrigieren (vgl. Kerncurriculum).

Im Alltag wird Elektrizität hauptsächlich als Energielieferant und als Mittel zum Informationstransport genutzt. Sowohl elektrische Leitungsvorgänge als auch elektrische Energieumsätze werden alltagssprachlich gleichartig mit dem Begriff „Strom“ belegt. Stromkreise werden in diesem Themenfeld unter dem Aspekt der Energieverteilung analysiert. Die deutliche Unterscheidung zwischen Energieströmen und Elektronenströmen ist dabei wesentlich für ein vertiefendes Verständnis elektrischer Stromkreise (vgl. Kerncurriculum).

Unsere Gesellschaft zeichnet sich durch ein hohes Maß an Mobilität der Menschen aus. Die grundlegenden Phänomene von Bewegungsvorgängen sind einer direkten Beobachtung leicht zugänglich. Die Unterscheidung der beiden Größen Energie und Kraft stellt für Schülerinnen und Schüler eine Herausforderung dar. Beides ist zudem für die Bewegungsänderung von Körpern notwendig, wodurch eine Unterscheidung zusätzlich erschwert wird. Ein Unterricht, welcher beide Begriffe zur Beschreibung der Bewegungsvorgänge nutzt, ermöglicht den Schülerinnen und Schülern, hier eine deutliche Unterscheidung vorzunehmen (vgl. Kerncurriculum).

Das Themenfeld ist gegliedert in Nahrungsmittelproduktion und Stoffwechsel. Schülerinnen und Schüler wenden ihre Kenntnisse zu Ökosystemen auf landwirt- schaftliche Nutzflächen an und erweitern diese um die Frage der Beeinflussung von Ökosystemen durch den Menschen. Ein Vergleich unterschiedlicher Produktionsverfahren unter Einbeziehung gesundheitlicher, ökologischer und ethischer Fragen bildet den Abschluss des Bereichs Nahrungsmittelproduktion. Daran schließt sich der Bereich Stoffwechsel des Menschen an, der es Schülerinnen und Schülern mithilfe von Experimenten ermöglicht, Nahrungsmittel zu analysieren sowie die Funktion des Verdauungssystems zu beschreiben (vgl. Kerncurriculum).

In diesem Themenfeld wird als Einstieg die den Schülerinnen und Schülern aus Themenfeld 2 bekannte Verbrennungsreaktion aufgegriffen. Die zahlreichen chemischen Reaktionen in diesem Themenfeld sollen genutzt werden, um die Atomvorstellung zu festigen und die chemische Symbolschreibweise an einfachen Beispielen einzuführen. Die Reaktionen von Kohlenstoff und Schwefel mit Sauerstoff stehen exemplarisch für eine Vielzahl von Verbrennungsprozessen im Alltag (vgl. Kerncurriculum).

Ein Ziel dieses Themenfeldes ist das Verständnis der körpereigenen Abwehr von Krankheitserregern sowie der medizinischen Möglichkeiten der Unterstützung und der Prävention. Die Kenntnis über den Einsatz von Antibiotika zur Bekämpfung bakterieller Infektionskrankheiten sowie der daraus resultierenden möglichen Resistenzen soll Schülerinnen und Schüler auf erhöhtem Anforderungsniveau befähigen, den Einsatz von Antibiotika zu beurteilen (vgl. Kerncurriculum).

Das Ziel dieses Themenfeldes ist die Vermittlung von genetischen Grundkenntnissen, die sowohl einen Zugang zum Verständnis von natürlichen Prozessen als auch zu Verfahren der Gentechnik ermöglichen. Dieser mit dem Mikroskop nicht sichtbar zu machende Bereich der Biologie ist auf die Nutzung naturwissenschaftlicher Modelle und Symboliken angewiesen (vgl. Kerncurriculum).

Ausgehend von den historischen Theorien entwickeln die Schülerinnen und Schüler in diesem Themenfeld ein Verständnis für die Entwicklung von Lebewesen und deren stammesgeschichtlichen Verwandtschaftsverhältnissen. Die Unterscheidung zwischen genetisch bedingter Angepasstheit und umweltbedingter Anpassung (Modifikation) ist ein zentrales Anliegen dieses Themenfeldes (vgl. Kerncurriculum).

Das Periodensystem der Elemente (PSE) bringt Ordnung in die vielfältigen Erscheinungsformen der Materie. Ausgehend von der Untersuchung der Stoffeigen- schaften und des Reaktionsverhaltens ausgewählter Elementfamilien wird die Grundstruktur des PSE erarbeitet. Die Entwicklung eines differenzierten Modells der Atomhülle bildet die Grundlage für ein tieferes Verständnis des PSE (vgl. Kerncurriculum).

In diesem Themenfeld werden die Ursachen für die Bildung von chemischen Bindungen erklärt. Hier ist es wichtig, die Edelgasregel nachvollziehbar anzuwenden und die Erkenntnisse auszuschärfen. Darüber hinaus ermöglicht das Themenfeld erstmalig einen direkten Vergleich zwischen dem submikroskopischen Aufbau und den Eigenschaften der Stoffe (vgl. Kerncurriculum).

In diesem Themenfeld steht das Donator-Akzeptor-Konzept als fundamentales Prinzip der Chemie im Mittelpunkt. Redoxreaktionen werden als Elektronenüber- tragungsreaktionen (G- und E-Niveau) und Säure-Base-Reaktionen als Protonenübertragungsreaktionen (nur E-Niveau) beschrieben und entsprechende stöchiometrisch korrekte Symbolgleichungen für ausgewählte Reaktionen aufgestellt. Die Bedeutungen von Redoxreaktionen und Säure-Base-Reaktionen in Alltag und Technik werden thematisiert und die Bedeutung des pH-Werts als ein Maß für die Konzentration von Oxonium-Ionen (Hydronium-Ionen) in Lösung erkannt (vgl. Kerncurriculum).

Die Schülerinnen und Schüler erwerben in diesem Themenfeld wichtige Kompetenzen im Umgang mit Energiewandlern, die stellvertretend für die wachsende Bedeutung nachhaltiger Energietechniken stehen. Erneut stehen dabei Energieflüsse im Mittelpunkt der Betrachtung. Dabei wird in diesem Zusammenhang der Begriff des Wirkungsgrades eingeführt. Begleitend wird ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise von für den Alltag bedeutsamen technischen Geräten vermittelt (vgl. Kerncurriculum).

Die Schülerinnen und Schüler lernen in diesem Themenfeld, dass Energie zwar immer vollständig erhalten bleibt, ihr nutzbarer Anteil aber je nach Energiewandler deutlich variieren kann. Die Schülerinnen und Schüler sollen einen nachhaltigen Eindruck vom „Wert“ der Energie vermittelt bekommen und in die Lage versetzt werden, sich ein eigenes Urteil über die zukünftige Energienutzung zu bilden (vgl. Kerncurriculum).

In diesem Themenfeld wird das Wissen über den Aufbau der Materie erweitert, um natürliche Phänomene wie den Kernzerfall und die ionisierende Strahlung und deren technische Anwendung erklären zu können. Darüber hinaus werden der Nutzen und die Risiken technischer und medizinischer Anwendungen der Kernphysik thematisiert (vgl. Kerncurriculum).

Naturwissenschaftliche Argumentation wächst über einen unverbindlichen Meinungsaustausch hinaus, indem zunächst ein sachbezogenes Vokabular entwickelt wird. Vorliegende Fragen und Vermutungen werden durch Anwendung weiterer Darstellungselemente, insbesondere von Graphen, sprachlichen Formulierungen von Zusammenhängen und schließlich Gleichungen sowie durch die Durchführung hypothesengeleiteter Experimente einer rationalen Beantwortung zugänglich gemacht. Besondere Aufmerksamkeit verdient der allmähliche Übergang von der Alltagssprache zur Fachsprache; der Wechsel zwischen Darstellungsweisen und Sprachebenen muss dabei geübt werden (vgl. Kerncurriculum).

Wie die Problemlösefähigkeit muss auch die Experimentierfähigkeit entwickelt werden. In einem neuen Sachgebiet sollten die Lernenden in der Regel zunächst angeleitet experimentieren. Mit zunehmender Sicherheit dürfen Fragestellungen und Anleitungen schrittweise offener werden, um in einem anderen Sachgebiet zunächst wieder verengt zu werden. Sie sind dabei stets so zu gestalten, dass die Lernenden Experimente als Mittel erleben, wesentliche Fragen zu beantworten oder neue Phänomene kennenzulernen (vgl. Kerncurriculum).

Die Physik unterscheidet sich von den anderen Naturwissenschaften unter anderem durch ihren höheren Grad der Mathematisierung. Es ist Aufgabe des Unterrichts, die Lernenden auf dem Weg zu einer Beherrschung mathematischer Verfahren in der Physik schrittweise und behutsam anzuleiten. Behutsames Vorgehen bedeutet dabei, einen Weg über eine sprachliche Beschreibung und einfache Diagramme bis zur Verwendung von Gleichungen und deren anschließender Interpretation zu beschreiten (vgl. Kerncurriculum).

Naturwissenschaftliche Probleme werden durch Modellieren und Idealisieren einer Behandlung zugänglich gemacht. Modelle können dabei gegenständlich, iko- nisch, grafisch, mathematisch sein oder Analogien verwenden. Das Kern-Hülle-Modell des Atoms, das Modell der Elementarmagnete und das Teilchenmodell werden im Sinne von ikonischen Modellen, Energieflussdiagramme als Beispiel für grafische Modelle verwendet. An Beispielen erkennen die Lernenden die Prognosefähigkeit von Modellen und deren Grenzen. Erst fortgeschrittene Lernende sind dabei in der Lage, über die Unterschiede zwischen Modell und Realität zu reflektieren (vgl. Kerncurriculum).

Schülerinnen und Schüler sollen in alltäglichen Gesprächen naturwissenschaftliche Inhalte erkennen und sachgerecht einordnen. Sie müssen Texte mit naturwis- senschaftlichen Inhalten verstehen, überprüfen und zu eigen machen. Sie nehmen dazu Informationen auf, strukturieren diese und dokumentieren ihre Arbeit, ihre Lernwege und ihre Ergebnisse. Dabei nutzen sie unterschiedliche Darstellungsformen und Medien. Zunehmend achten die Lernenden auf eine adressaten- gerechte Darstellung und die Auswahl geeigneter Sprachelemente. Die Dokumentation und Präsentation von Ergebnissen soll mit einem angemessenen Medi- eneinsatz unterstützt werden. Dazu gehört insbesondere auch der Einsatz multimedialer Präsentationstechniken (vgl. Kerncurriculum).

Im Zentrum des Kompetenzbereichs „Reflexion“ stehen v.a. zwei Aspekte: Zum einen sollen Schülerinnen und Schüler naturwissenschaftliche Fragestellungen sowie naturwissenschaftliche Erkenntnisse/Evidenzen sachlogisch, d.h. auf der Sachebene, beurteilen können (Fachliches „Beurteilen“ auf der Sachebene). Zum anderen können naturwissenschaftlich komplexe Fragestellungen und Probleme, wie beispielsweise der Klimawandel oder der Rückgang der Artenvielfalt, nicht ausschließlich auf der Sachebene diskutiert und bewertet werden. Vielmehr sind hier ökonomische, ökologische und soziale Auswirkungen bei der kritischen Auseinandersetzung mit diesen Problemen zu berücksichtigen, die neben der fachlichen Beurteilung ein überfachliches Bewerten unter Berücksichtigung indivi- dueller und gesellschaftlicher Wertmaßstäbe und Normen, wie beispielsweise dem Leitbild einer Nachhaltigen Entwicklung unseres Planeten, erfordern („Bewer- ten“ unter Berücksichtigung der Sach- und der Werteebene) (vgl. Kerncurriculum).