Physik Journal 5 / 2018

Die physikdidaktische Forschung ist heute breit aufgestellt und hat sowohl inhaltlich als auch methodisch ein sehr hohes Niveau erreicht. Nichtsdestotrotz kritisieren Lehrkräfte immer wieder, dass fachdidaktische Forschungs­ergebnisse einen zu geringen Einfluss auf die Unterrichtspraxis hätten. Ein Teilgebiet der Physikdidaktik, das explizit zum Ziel hat, diesen oft beklagten „Research-Practice-Gap“ zu überwinden, stellt die fachdidaktische Entwicklungsforschung dar – auch Design-Based-Research (DBR) genannt. Im Gegensatz zu reinen Entwicklungen, zum Beispiel von neuen Experimenten, und zu rein empirischer Forschung hat Design-Based-Research – ähnlich den Ingenieurwissenschaften – den Anspruch, Forschung zum „Zwecke der Innovation“ zu betreiben [1]. Innovation bedeutet hier nicht die alleinige Existenz neuer Unter­richtsmaterialien, sondern dass diese auch nachweislich zu einem höheren Lernerfolg führen und in der Praxis als signifikante Verbesserung wahrgenommen werden. Zudem geht es darum, eine Theo­rie des Lehrens und Lernens des entsprechenden Themengebietes weiterzuentwickeln.

Da didaktische Interventionen bei Design-Based-Research meist einen umfassenden Charakter haben, also beispielsweise ein ganzes Unterrichtskonzept inklusive neuer Sachstruktur, Visualisierungen und Experimenten umfassen, hat dieser Forschungsansatz keinen Anspruch auf vollständige Variablenkontrolle. Statt verallgemeinerbare Ursache-Wirkungs-Beziehungen aufklären zu wollen, besteht das Ziel von DBR vielmehr darin, eine hohe externe Validität, d. h. Verallgemeinerbarkeit der Studienergebnisse gewährleisten zu können. Dieser Ansatz ähnelt dem Vorgehen eines Arztes, der auf Basis des aktuellen medizinischen und pharmazeutischen Wissens dem Patienten zur Heilung einer Krankheit ein Medikament verschreibt, dessen Wirksamkeit zwar wissenschaftlich belegt ist, aber dessen genaue physiologische und pharmazeutische Wechselwirkungen noch unbekannt sind [2]. (...)

Massen und Radien sind die fundamentalsten Eigenschaften der Atomkerne: Ein tiefes Verständnis der Kernstruktur erfordert daher, sie präzise bestimmen zu können. Ernest Rutherford und Ernest Marsden haben vor etwas mehr als hundert Jahren die Größe von Goldkernen mittels der Streuung von α-Teilchen gemessen. Die registrierten Zählraten waren bei großen Streuwinkeln und hohen Teilchen­energien geringer als vorhergesagt, weil bei sehr kleinen Abständen die starke Wechselwirkung einsetzt. Daraus ergaben sich Kernradien von einigen Femtometern. Deutlich genauer lässt sich die Ladungsverteilung des Kerns mit elektromagnetischen Sonden vermessen. Besonders geeignet sind die strukturlosen Elektronen und Myonen: Ab den 1950er-Jahren gelang es mit elastischer Elektronenstreuung, die Radien nahe­zu aller stabilen Kerne zu bestimmen. Zusätzliche Informationen lieferte die Spektroskopie von Röntgenübergängen in myonischen Atomen [1]. Als Funktion der Massenzahl verhält sich der Ladungsradius R_c wie R_c = R₀³√A mit der Konstanten R₀ ≈ 1,24 fm, die je nach Messmethode leicht variiert. Das Kernvolumen ist demnach proportional zur Massenzahl A = N + Z, sodass die Materiedichte im Kerninneren als annähernd konstant gelten kann. Für kurzlebige Kerne eignen sich diese Methoden im Allgemeinen nicht, obwohl es erst jüngst in Japan gelungen ist, die elastische Elektronenstreuung für radioaktive Kerne in einem Speicherring einzusetzen [2]. Ähnliche Pläne gibt es auch für die im Bau befindliche Beschleunigeranlage FAIR am GSI Helmholtzzentrum für Schwer­ionenforschung in Darmstadt. (...)

Die Idee hinter dieser Methode besteht darin, Mole­küle durch die Änderung eines Ionenstroms durch ein kleines, wasser­gefülltes Loch – die Nano­pore – zu analysieren (Abb.1). Diese Idee geht auf Wallace H. Coulters fast 70 Jahre altes Patent zurück, das beschreibt, wie sich mikrometerkleine Partikel mithilfe von Strommessungen durch ein Loch in einer Glaskapillare untersuchen lassen [1]. Heutzutage ist die Detektion von Zellen und Bakterien mithilfe eines „Coulter-Counters“ Alltag in der Medizin. Während die Poren dabei mikrometergroße Durchmesser besitzen, beschäftigt sich die aktuelle Forschung in Physik, Chemie und Materialwissen­schaften mit so genannten Nanoporen für die Bio­sensorik, DNS- und RNS-Sequenzierung und Protein­analytik. Vor allem die DNS-Sequenzierung steht durch die mögliche Miniaturisierung dank der Nanoporen vor einer Revolution. (...)

Was hat Sie bewogen, sich beim Auswärtigen Amt zu bewerben?

Während des Studiums hat sich herauskristallisiert, dass ich thematisch breit arbeiten möchte und ein großes Interesse am internationalen politischen Geschehen habe. Die internationale Verständigung ist ein sehr hohes Gut, für das ich eintreten möchte.

Aber Ihr Studium der Physik haben Sie noch beendet?

Das habe ich mit Herzblut zu Ende geführt, aber mich währenddessen umgeschaut. Dabei habe ich von der Studienstiftung profitiert: Als Stipendiat bekam ich einige Sprachkurse finanziert sowie ein Praktikum beim Generalsekretariat der Vereinten Nationen in New York.

Worum ging es dabei?

Um Abrüstung. Dieses Thema war für mich eine Brücke zwischen der Physik und der Welt der internationalen Politik. Im Anschluss an das Studium habe ich das Stiftungskolleg für Internationale Aufgaben absolviert und ein Projekt zu möglichen Gefahren durch nuklearen Terrorismus bearbeitet. (...)