Kernlehrplan Naturwissenschaften (fächerintegriert Biologie, Chemie, Physik) für die Jahrgangsstufe 5-10 an Gesamtschulen

Roland Heynkes, 20.9.2017

An Gesamtschulen in NRW können die Naturwissenschaften Physik, Chemie und Biologie getrennt oder integriert (vereinigt zum Fach Naturwissenschaften) gelernt werden. In der offenen Schule Köln bleiben die Schulfächer Physik, Chemie und Biologie bis zum Ende der Jahrgangsstufe 10 im Fach Naturwissenschaften vereinigt. Normalerweise wird das Fach im Klassenverband zielgleich unterrichtet. Das bedeutet, dass Lehrpersonen die Unterrichtsinhalte und das Lerntempo vorgeben und alle Lernenden einer Klasse gleich schnell bzw. langsam lernen sollen. In der offenen Schule Köln hingegen trägt man der Heterogenität der Menschen Rechnung und lässt jeden jungen Menschen auf seinem Lernstand, in seinem Tempo und mit den für ihn geeigneten Mitteln lernen. Das funktioniert aber nur, wenn sich alle Lernenden den Lernstoff aktiv selbständig erarbeiten. Dabei werden sie zwar individuell vom Lehrpersonal und mit geeignetem Selbstlernmaterial unterstützt, aber das in höherem Maße eigenverantwortliche Lernen fördert doch ein Bedürfnis nach Orientierung in der langen Liste dessen, was die Lernenden an Gesamtschulen im Bereich der Naturwissenschaften lernen sollen. Und dieser Orientierung dient der noch unter der Verantwortung der ehemaligen Schulministerin Löhrmann vom NRW-Schulministerium aufgestellte Kernlehrplan Naturwissenschaften (integriert). Er beschreibt die Grenze zwischen normalerweise verbindlichen Inhaltsfeldern und unverbindlichen fachlichen Kontexten.

Dieser Hypertext soll für Lernende der Sekundarstufe 1 an NRW-Gesamtschulen möglichst übersichtlich darstellen, welches Wissen man gemäß dem NRW-Kernlehrplan für Gesamtschulen (pdf-Version vom 16.6.2011) üblicherweise am Ende der 6., der 8. bzw. der 10. Klasse von Gesamtschülern erwartet, die ein mit den Gymnasien vergleichbares Abitur anstreben und entsprechend gut auf die Oberstufe vorbereitet sein möchten. Die Texte sind unverändert dem Kernlehrplan entnommen und werden lediglich stärker auf die Inhalte konzentriert dargestellt.

Mit Hilfe der Gliederung springt man zu den einzelnen Inhaltsfeldern. Klickt man im Inhaltsverzeichnis auf die blauen Pfeile, so springt man innerhalb des Textes nach unten in das entsprechende Kapitel.

Gliederung nach Inhaltsfeldern

Jahrgangsstufen 5-6
	Inhaltsfeld: Lebensräume und Lebensbedingungen (1)
	Inhaltsfeld: Sonne, Wetter, Jahreszeiten (2)
	Inhaltsfeld: Sinne und Wahrnehmung (3)
	Inhaltsfeld: Körper und Leistungsfähigkeit (4)
	Inhaltsfeld: Stoffe und Geräte des Alltags (5)
	Inhaltsfeld: Die Veränderung von Stoffen (6)
	Inhaltsfeld: Sexualerziehung 1
Jahrgangsstufen 7-8
	Inhaltsfeld: Ökosysteme und Ressourcen (7)
	Inhaltsfeld: Entwicklung der Erde und des Lebens (8)
	Inhaltsfeld: Aufbau der Erde und Entwicklung des Lebens (9)
	Inhaltsfeld: Elektrizität im Stromkreis (10)
	Inhaltsfeld: Elektrochemische Spannungsquellen (11)
	Inhaltsfeld: Bewegung in Natur und Technik (12)
	Inhaltsfeld: Sexualerziehung 2
Jahrgangsstufen 9-10
	Inhaltsfeld: Gene und Vererbung
	Inhaltsfeld: Stationen eines Lebens
	Inhaltsfeld: Information und Regulation
	Inhaltsfeld: Säuren und Basen
	Inhaltsfeld: Stoffe als Energieträger
	Inhaltsfeld: Produkte der Chemie
	Inhaltsfeld: Energie, Leistung und Wirkungsgrad
	Inhaltsfeld: Elektrische Energieversorgung
	Inhaltsfeld: Radioaktivität und Kernenergie

Die Kenntnis verschiedener Lebewesen in ihrem Lebensraum mit ihren besonderen Merkmalen, Eigenschaften und Abhängigkeiten ist Voraussetzung für ein Verständnis einfacher ökologischer Zusammenhänge. Ein Verständnis solcher Zusammenhänge, auf denen sowohl der Biotopen- als auch der Artenschutz basieren, ist jedoch nur möglich, wenn die physikalischen und biologischen Bedingungen des Lebensraums gleichermaßen berücksichtigt werden. Dies zeigt sich besonders ausgeprägt bei der Betrachtung der Angepasstheit an extreme Lebensräume. Manche Pflanzen und Tiere besitzen eine Bedeutung für den Menschen. Durch die gezielte Selektion spezifischer Merkmale bei Wildformen von Pflanzen und Tieren entstehen die heutigen Nutzformen.

Erfahrungen von Sonnenenergie und Wärme sowie der Ablauf der Jahreszeiten gehören zu den elementaren Begegnungen mit der natürlichen Welt. Entsprechende Phänomene können mithilfe energetischer Betrachtungen und einfacher Teilchen- und Wechselwirkungsmodelle in Ansätzen beschrieben und erklärt werden. Der Transport von Sonnenenergie zur Erde bestimmt die Jahreszeiten und ist mit bestimmten Wettererscheinungen verbunden. Die Angepasstheit von Tieren und Pflanzen an die Jahreszeiten ist Ergebnis eines ständigen Prozesses der Evolution, während Menschen hier technische Lösungen gefunden haben. Die Sonne hat nicht nur Bedeutung für den Wärmehaushalt vieler Tiere, sondern auch als Energiequelle in natürlichen Prozessen wie etwa bei der Fotosynthese.

Lebewesen nehmen Informationen mit ihren Sinnen aus der Umwelt über Sinneszellen und Sinnesorgane auf. Nervenzellen leiten Informationen weiter und verarbeiten sie als Wahrnehmung. Die Funktion von Sinnesorganen lässt sich mit Konzepten und Modellvorstellungen zum Charakter und zur Ausbreitung von Licht und Schall und entsprechenden Wechselwirkungen mit den Sinnesorganen erklären. Die Angepasstheit der Sinnesorgane verschiedener Lebewesen an spezifische Lebensräume ist überlebenswichtig. Unter den Sinnen des Menschen haben Auge und Ohr eine zentrale Bedeutung. Sie ermöglichen eine gute Orientierung in der Welt, haben aber auch ihre Grenzen, was beispielsweise bei optischen Täuschungen deutlich wird. In den Naturwissenschaften stellt sich damit die Frage nach unabhängigen objektiven Messverfahren.

Das Zusammenspiel von Knochen, Gelenken, Muskeln und Organen ist ebenso wie die Zufuhr von Energie über die Nahrung Voraussetzung für die Leistungsfähigkeit des menschlichen Körpers. Kenntnisse über Hebelwirkungen und Kräftegleichgewichte sind zum Verständnis von Körperbewegungen und zur gezielten Nutzung von Werkzeugen zur Verstärkung körperlicher Kräfte erforderlich. Wissen über Bau und Funktion der an der Energieversorgung beteiligten Organe und zur Zusammensetzung der Nahrung ist eine notwendige Grundlage für Entscheidungen bezüglich einer gesunden Lebensweise. Dazu gehören die sinnvolle Auswahl von Nahrungsmitteln sowie die Reflexion von Essgewohnheiten unter Beachtung hinreichender körperlicher Bewegung. Fehlernährung und Bewegungsmangel sind dagegen Auslöser für viele Zivilisationserkrankungen.

Schülerinnen und Schüler werden täglich mit einer Vielzahl von Stoffen und Geräten konfrontiert, deren Zusammensetzung bzw. Nutzen oder Funktion sich nicht unmittelbar erschließt. Hilfreich sind hier erste Klassifizierungsmerkmale sowie Verfahren, Stoffe anhand ihrer Eigenschaften voneinander zu unterscheiden. Von besonderer Bedeutung für die Chemie sind Stofftrennungen. Besonders wichtig für Anwendungen in technischen Geräten sind elektrische und magnetische Stoffeigenschaften. Elektrische Stromkreise und Wirkungen des elektrischen Stroms in diesen Geräten werden wesentlich von den verwendeten Materialien bestimmt. Die Kenntnis dieser Beziehungen ist Voraussetzung, um einfache elektrische Geräte unter Beachtung energetischer und systemischer Aspekte verstehen und sicher nutzen zu können.

Die Nutzung des Feuers gilt als Meilenstein in der Menschheitsgeschichte. Bei Verbrennungen laufen neben stofflichen auch energetische Veränderungen ab. Viele dieser Reaktionen sind verbunden mit einer Energieabgabe in Form von Licht und Wärme. Die bei Verbrennungen frei werdende Energie ist in vielen alltäglichen Situationen nutzbar, stellt jedoch auch eine zu kontrollierende Gefahr dar. Chemische Prozesse dienen auch dazu, Metalle, die in der Natur nicht elementar vorkommen, mithilfe von Redoxreaktionen aus ihren Verbindungen zu gewinnen. In einer modernen Gesellschaft sind Metalle aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften zur Herstellung von Gebrauchsgegenständen und Arbeitsgeräten unentbehrlich. Die Erschließung natürlicher Vorkommen ist jedoch nur begrenzt möglich. Unter den As­pekten der Verminderung von Umweltbelastungen und der Einsparung von Rohstoffen und Energie erhält das Sammeln und Recyceln von Altmetallen eine immer größere Bedeutung.

(gemäß den Richtlinien für die Sexualerziehung in Nordrhein-Westfalen)

Ein Ökosystem umfasst die Gesamtheit der Lebewesen des Systems und die äußeren Bedingungen ihrer Lebensumwelt. Bei Stoffkreisläufen und Energieflüssen in Ökosystemen spielen Produzenten, Konsumenten und Destruenten jeweils wichtige Rollen. Für diese ist die Verfügbarkeit von Luft und von Wasser von besonderer Bedeutung. Deshalb ist es wichtig, die Gefährdung der Umwelt in Ökosystemen zu erkennen und Möglichkeiten zu deren Schutz zu verdeutlichen. Das Prinzip eines nachhaltigen Umgangs mit Ressourcen wird hier als wesentliches Kriterium menschlichen Handelns betrachtet. Anthropogene Einflüsse führen zu veränderten Bedingungen in den Ökosystemen. Kenntnisse über die Beziehungen zwischen Pflanze, Tier und Mensch sind Grundlage dafür, diese Veränderungen beschreiben und ihre Auswirkungen einschätzen zu können.

(Normalerweise nur bei Leistungsdifferenzierung Chemie im Jg. 9/10)

Erkenntnisse und Modelle zum Aufbau und zur Entstehung des Universums und des Sonnensystems sowie zur Entwicklung des Lebens auf der Erde bis hin zum Menschen sind für junge Menschen von besonderem Interesse. Klassifikationsschemata ordnen die unüberschaubare Vielfalt der Objekte des Himmels wie Galaxien, Sterne und Planeten, Entwicklungsmodelle erklären deren Entstehung und ihr Zusammenwirken. Eine der erstaunlichsten menschlichen Leistungen ist die Fähigkeit, mit optischen Instrumenten wie hoch auflösenden Kameras, Teleskopen und Spektrometern selbst über unerreichbar ferne Objekte und weit zurückliegende Zeiten Erkenntnisse gewinnen zu können. Ähnliches gilt auch für die Entwicklung der Lebewesen, die durch die Evolutionstheorie erklärt wird. Das Inhaltsfeld erlaubt im Rahmen der Behandlung naturwissenschaftlicher Weltbilder in besonderer Weise, Rahmenbedingungen, Grenzen und Veränderungen naturwissenschaftlicher Vorstellungen zu betrachten.

(Normalerweise nur bei Leistungsdifferenzierung Physik im Jg. 9/10)

Eine der größten Leistungen der Naturwissenschaften war es, die Vielfalt der Stoffe, aus denen die Erde besteht und die auf der Erde vorkommen, auf Kombinationen einer begrenzten Anzahl elementarer Materiebausteine zurückführen zu können. Chemische Vorgänge können somit über Veränderungen in der Zusammensetzung der Materie erklärt werden. Mithilfe des Pe­riodensystems der Elemente ist es möglich, eine Systematik des Aufbaus der Materie mit einem einfachen Ordnungsschema darzustellen. Auf dieser Grundlage werden die unterschiedlichen Eigen­schaften der Verbindungen im Vergleich zu denen der in ihnen enthaltenen Elemente erklärbar. Aus einfachen Verbindungen sind im Laufe der Erdgeschichte immer komplexere Formen des Lebens entstanden. Bestimmend hierfür sind Mechanismen der Evolution, die insbesondere auch die evolutionäre Entwicklung von Wirbeltieren bis hin zum Menschen erklären können.

(Normalerweise nur bei Leistungsdifferenzierung Chemie im Jg. 9/10)

Ohne Elektrizität ist ein Leben in unserer Gesellschaft undenkbar. Die Nutzung von Elektrizität geschieht mit Geräten, in denen unterschiedliche Stromkreise für jeweils spezifische Funktionen eingesetzt werden. Für die Beschreibung und das Verständnis solcher verzweigter oder unverzweigter Stromkreise und für eine sichere Vorhersage der Vorgänge in ihnen sind Kenntnisse des Zusammenwirkens elektrischer Grundgrößen wie Spannung, Strom und Widerstand erforderlich. Auf dieser Basis ist es möglich, sachgerecht, sicher und kompetent mit Elektrizität umzugehen. Modellvorstellungen vom elektrischen Strom vermitteln notwendige Einsichten in elektrische Vorgänge, deren Verständnis im Alltag hilfreich und in elektro- und informationstechnischen Berufsfeldern unabdingbar ist.

(Normalerweise nur bei Leistungsdifferenzierung Physik im Jg. 9/10)

Durch Ladungstrennung werden Spannungen zur elektrischen Energieversorgung erzeugt. Die Speicherung von elektrischer Energie in mobilen Energiespeichern und die Nutzung dieser Energie gewinnen eine zunehmende technologische Bedeutung. Mit Blick auf eine nachhaltige Energieversorgung werden Anstrengungen zur Entwicklung neuer Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen unternommen. Gemeinsame Kennzeichen mobiler Energiespeicher sind die in ihnen ablaufenden Elektronenübertragungsreaktionen, bei denen chemische in elektrische Energie umgewandelt wird. Teilweise lassen sich die chemischen Reaktionen durch erzwungene Elektronenübertragungen bei Ladevorgängen wieder umkehren. Erzwungene Elektronenübertragungen werden auch für die Veredlung von Metallen genutzt.

(Normalerweise nur bei Leistungsdifferenzierung Chemie im Jg. 9/10)

Mobilität gilt als Voraussetzung von und als Kennzeichen für gesellschaftlich-ökonomischen Fortschritt. Das Verständnis zentraler Konzepte zur Beschreibung von Bewegungen und von Kräften zur Erklärung der Ursachen für Bewegungsänderungen ist damit als notwendiges Basiswissen in einer modernen Welt zu sehen. Es wird nicht nur in naturwissenschaftlich-technischen Berufsfeldern benötigt, sondern kommt auch in vielfältigen Alltagssituationen, etwa beim Einschätzen von Verkehrssituationen oder bei der Wahl geeigneter Transportmittel, zur Anwendung. Eine besondere Bedeutung für Forschung und Technologie besitzt heute die Raumfahrt. Auch bei der Fortbewegung von Lebewesen finden sich in der Natur Problemlösungen, die zum Teil auch technische Entwicklungen anregen.

(gemäß den Richtlinien für die Sexualerziehung in Nordrhein-Westfalen)

Wissen über Grundlagen der Genetik ist Voraussetzung für eine kritische Auseinandersetzung mit gesellschaftlichen Fragestellungen im Hinblick auf die Entwicklung der Gentechnik und ihre Einsatzmöglichkeiten. Ein Verständnis der Gesetzmäßigkeiten bei der Vererbung von Merkmalen als auch wesentlicher molekularbiologischer Vorgänge bildet hierfür die notwendige Grundlage. Die Entstehung von genetisch bedingten Krankheiten lässt sich mit dem Vorhandensein von Mutagenen und der Veränderung von Genen verstehen und erklären.

Die Entwicklung eines Menschen von der befruchteten Eizelle bis zu seinem Tod ist gekennzeichnet durch ständige Veränderungen des Organismus. Bei den heutigen Möglichkeiten der Medizin, in diese Lebensprozesse einzugreifen, wie Reproduktionstechniken oder die Organtransplantation, ist ein fachlich fundiertes Wissen erforderlich, um unter Berücksichtigung eigener Wertvorstellungen Entscheidungen zur eigenen Lebensplanung treffen zu können.

Auf den verschiedenen Systemebenen biologischer Systeme werden Signale erkannt und ausgetauscht und lösen jeweils spezifische Reaktionen und Verhaltensweisen aus. Auf der Systemebene der Organismen wird dies deutlich bei der Reizaufnahme, der Erregungsleitung und Verarbeitung im Gehirn. Hierbei spielen Gedächtnis, Lernvorgänge und Verhalten eine wichtige Rolle. Schülerinnen und Schüler können darüber eigenes Lernen besser verstehen und gegebenenfalls beeinflussen. Der Leitgedanke der Reaktion auf bestimmte Signale findet sich auch auf der zellulären Ebene bei der Antigen - Antikörperreaktion und auf der molekularen Ebene bei der Wirkung von Botenstoffen auf spezifische Zielzellen.

Wasser mit seinen besonderen Eigenschaften ist für zahlreiche chemische Reaktionen, insbesondere Säure-Base-Reaktionen, und für Lösungs-vorgänge von Bedeutung. Säuren und Basen sind chemisch besonders bedeutungsvoll, weil sie Protonen bzw. Hydroxid-Ionen übertragen können. Sie sind Bestandteil von Reinigungsmitteln, Entkalkern und Konservierungsstoffen. Bei der Neutralisation von Säuren und Basen bilden sich Salze, die aus Kationen und Anionen aufgebaut sind. Diese Reaktion lässt sich mit einfachen Modellen anschaulich erklären. Vielen sauren und alkalischen Lösungen begegnet man auch in der Berufs- und Arbeitswelt. Hier sind Kenntnisse über die Wirkung, den Einsatz und die sichere Handhabung dieser Stoffe aus Gründen der Sicherheit und des Umweltschutzes erforderlich.

Als Primär- oder Rohenergieträger bezeichnet man Energieträger, die in der Natur zur Verfügung stehen. Die meisten dieser Stoffe sind organischen Ursprungs. natürliche Energieträger wie Erdöl werden industriell aufbereitet, um Nutzenergie (Wärme, Bewegung, Licht) bei Bedarf zur Verfügung zu stellen. Die Weiterverarbeitung dieser organischen Stoffe in wichtigen Zweigen der chemischen Industrie eröffnet zahlreiche Arbeits- und Berufsfelder. Es ergibt sich die Notwendigkeit, durch Verwendung nachwachsender Rohstoffe und durch Recycling schonend mit den knappen natürlichen Ressourcen umzugehen.

In Deutschland ist die Chemie-Produktion ein wichtiger Industriezweig. Zur Vielfalt der erzeugten Produkte gehören Artikel des täglichen Bedarfs wie Duft- und Aromastoffe, aber auch Lebensmittel und deren Zusatzstoffe, Kunststoffe sowie neue High-Tech-Werkstoffe. Der Aufbau sowie Strukturen und Funktionen dieser Stoffe unterliegen gemeinsamen Prinzipien. Durch aktuelle chemische Forschung werden gezielt neue Produkte für spezielle Verwendungen entwickelt. Dabei ergeben sich einerseits Chancen zur Verbesserung unserer Lebensbedingungen, andererseits können aber auch Risiken in der Anwendung und im Produktionsprozess entstehen, die bewertet und beherrscht werden müssen.

Die Nutzung und Umwandlung von Energie bestimmt naturwissenschaftlich-technische Vorgänge, Alltagsituationen, aber zunehmend auch politische und wirtschaftliche Zusammenhängen. Schon in der Antike setzten die Menschen Maschinen ein, um Arbeitskraft zu ersetzen. Im Zuge der Industrialisierung wurde es dann unumgänglich, Arbeit und Leistung quantifizierbar zu machen. Der Energiebegriff geht jedoch weit über die mechanischen Energieformen hinaus und verbindet die einzelnen Gebiete der Physik miteinander. Ein Verständnis der Energieentwertung und des Wirkungsgrades ist wichtig, um die weltweit diskutierte Energieproblematik zu verstehen, sich sachverständig einzubringen und energiebewusst zu handeln.

Durch die Nutzbarmachung der elektrischen Energie haben sich die Lebens- und Arbeitsverhältnisse der Menschen in unserer Gesellschaft grundlegend verändert. Die Sicherung der elektrischen Energieversorgung berührt damit zentrale Handlungsfelder, die heute nicht nur aus einer physikalisch-technischen Sicht intensiv diskutiert werden. Sachkenntnisse in den Bereichen Energiebereitstellung, elektromagnetische Energieumwandlung und elektrischer Energietransport bieten die Grundlage, sich in seinem Verhalten - etwa bei der Nutzung von regenerativen Energiequellen - langfristig auf notwendige Veränderungen einstellen zu können. Sie sind auch Voraussetzung zur Beteiligung am gesellschaftlichen Diskurs über Formen einer zukünftigen Energieversorgung.

Die Verwendung von Radioaktivität und Kernenergie in der Medizin bzw. in der Energiewirtschaft und im militärischen Bereich hat nachhaltige Konsequenzen für den Einzelnen und die Gesellschaft. Grundlegendes Wissen über Strahlungsarten und ihre Wirkungen sowie zur Kernspaltung und zum Betrieb von Kernkraftwerken muss vorhanden sein, um in der gesellschaftlichen Energiediskussion Nutzen und Risiken des Einsatzes der Kernenergie begründet abschätzen und Position beziehen zu können. Dabei stellt sich auch die Frage nach der ethischen Verantwortung von Naturwissenschaftlern und insbesondere Physikern.

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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0