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Energie ist eine grundlegende Komponente jeden Wissenschaftszweiges. Physiker nutzen Gesetze der Energie, um neue fundamentale Komponenten zu entdecken, Biologen erklären mit Energiegesetzen natürliche Entwicklungen in Biosystemen, Chemiker erklären Reaktionsverläufe mit Energiegesetzen und Ingenieure entwickeln mittels Energiegesetzen neue Technologien. Jedes Naturphänomen, jede neue Erfindung unterliegt dem Prinzip der Energieerhaltung, d.h. dass Energie weder geschaffen noch zerstört werden kann. Energie spielt eine allumfassende und unbestreitbare Rolle in unserem Leben. Einige unserer dringendsten sozialen und ökologischen Probleme (Klimawandel, Artensterben und die Nutzung der natürlichen Ressourcen) haben grundsätzlich mit dem Thema Energie zu tun. Um diese Probleme erfolgreich angehen zu können und fundierte persönliche Entscheidungen treffen zu können, müssen die Menschen verstehen, in welcher Art und Weise Energie dem Funktionieren von natürlichen und künstlichen Systemen Grenzen setzt. Gleichwohl haben Jahrzehnte der Forschung gezeigt, dass sowohl Schüler als auch Erwachsene Schwierigkeiten haben, die Gesetze der Energie anzuwenden, um die Systeme zu verstehen, die ihr Leben beeinflussen. Neuere Untersuchungen haben nachgewiesen, dass ein gezielter Unterricht in den Gesetzmäßigkeiten der Energie Mittelschulschülern helfen kann, ein wissenschaftlich fundiertes und anwendbares Wissen über Energie zu erlernen, mit dem sie dann Phänomene des Alltags erkennen und Probleme lösen können. Wie nachhaltig der Effekt einer gezielten Energielehre jedoch tatsächlich ist, ist bisher nicht untersucht. Darüber hinaus wissen wir nicht, wie sich das Verständnis der Schüler mit der Zeit verbessert.

Dieses Projekt untersucht drei vielversprechende Ansätze in der Vermittlung von Energielehre aus der Literatur und erforscht, wie jeder einzelne von ihnen das Energieverständnis von Mittelschulschülern beeinflusst und ihre Fähigkeiten, sich darüber hinaus (in der weiterführenden Schule und später) mit der Materie zu befassen.

Die drei zu untersuchenden Ansätze sind: (1) Energie als etwas zu begreifen, das in verschiedenen Formen existiert und sich während eines Phänomens verändern kann, (2) Energie vornehmlich durch ihre Form und Veränderbarkeit innerhalb eines Phänomenen zu erklären, mit zusätzlichem Augenmerk auf Systeme und Energiefluss und (3) Energie als etwas Ganzheitliches zu verstehen (keine Unterscheidung in verschiedene Formen), das während verschiedener Prozesse zwischen Objekten und Systemen fließt.

Jeder der drei Lehransätze wird von ausgewählten Mittelschullehrkräften eines Bundeslandes unterrichtet, die eine intensive Schulung in der jeweiligen Lehrmethode erhalten haben. Um die Belastbarkeit der Daten zu untersuchen und die Schüler über die Zeit beobachten zu können, werden zwei Kohorten jeweils ein Jahr versetzt untersucht. Zusätzlich zu der Entwicklung von Lehrmaterial für die jeweilige Lehrmethode, erfordert die Untersuchung des Lernfortschritts der Schüler die Entwicklung einer neuen Metrik. Mit dieser wird das zunehmende Verständnis der Schüler über die Grundprinzipien von Energie und die Fähigkeiten der Schüler, dieses Wissen in neuen Zusammenhängen anzuwenden, gemessen. Darüber hinaus werden Instrumente entwickelt, die den Einfluss des Selbstvertrauens der Schüler Energiegesetze anzuwenden messen sowie ihre Fähigkeiten in der Zukunft sich mit Energieprinzipien  oder verwandten Dingen zu befassen.

Diese Studie wird unsere Erkenntnisse darüber verbessern, wie Mittelschulschülern am besten das Thema Energie vermittelt werden kann. Außerdem werden wir die Leistungsentwicklung der Schüler verfolgen können, hin zu der Befähigung zu zukünftigem Lernen und Bürgerverantwortung.

• Prof. Dr. Joseph S. Krajcik, Michigan State University, East Lansing, MI, USA

• Prof. Dr. Knut Neumann, Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) Kiel, Germany

• Prof. Dr. David Fortus, Weizmann Institute, Rehovot, Israel

• Prof. Dr. Jeffrey C. Nordine, Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) Kiel, Germany
• Dr. Marcus Kubsch, Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) Kiel, Germany