PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung

Prüfungsformen im Physikstudium

2023-06-01T07:01:53+02:00

In der Physik herrscht ein status quo dominiert von einzelnen, bekannten Prüfungsformaten. In der Schuldidaktik erfolgte schon vor einigen Jahrzehnten die systematische didaktische Aufarbeitung der Prüfungslandschaft. In diesem Vortrag, bzw. in dem Originalposter, aus dem der Vortrag entsprang, wurden Kategorien aus eben jener Analyse, Vernetztes Denken, Prüfungsangst, Trennung von Lern- und Prüfsituation, Verbesserungsschleifen und Produktorientierung herangezogen und auf den Universitätsfall, spezifisch die Physik, angewandt. Hierfür wurden sowohl typische Prüfungsmodi als Beispiele genommen, als auch neuere Formate, die aus Beiträgen des Studierendenforums stammen, eingeordnet.

Workshop: Alternative Übungskonzepte

2023-06-01T03:58:19+02:00

Übungen sind ein wichtiger Bestandteil des Physikstudiums und machen einen großen Teil der Arbeit sowohl der Studierenden als auch der Lehrenden aus. Typischerweise gibt es eine gute Betreuungsrelation und dennoch bleiben sie oftmals hinter den Möglichkeiten zurück: Betretenes Schweigen und wenig sinnvolles Anschreiben einer Musterlösung an die Tafel haben wohl alle schon einmal erlebt. Eine systematische Erhebung im Rahmen einer Masterarbeit hat jüngst bestätigt, dass noch immer fast überall wenig kognitiv anregende Formate vorherrschen, bei denen z.B. der große Aufwand, der typischerweise in die Korrektur von Abgaben gesteckt wird, auch tatsächlich produktiv gemacht wird, um Studierende bei ihrem Lernfortschritt zu unterstützen.

Im Workshop haben wir ausgehend von dieser Erhebung die aktuelle Situation reflektiert sowie alternative Modelle vor- und zur Diskussion gestellt.

Auswirkung von Wahlfreiheit beim Experimentieren

2023-05-30T22:42:47+02:00

Es ist eine anspruchsvolle Aufgabe, Fachunterricht nicht mehr an einer fiktiven Homogenität der Schüler*innenschaft auszurichten, sondern so zu gestalten, dass er allen Lernenden gerecht wird. Im Physikunterricht ist das Experimentieren ein wesentlicher Zugang, um Wissen oder Arbeitsweisen zu vermitteln. Damit Schüler*innen beim Experimentieren individuelle Lernwege vollziehen und ihren Lernprozess mitgestalten können, haben wir ein Unterrichtskonzept für inklusive Schüler*innenexperimente entwickelt, welches eine Wahl aus experimentellen Zugängen ermöglicht und damit individuellen Voraussetzungen und Interessen gerecht wird. Dieses Konzept wurde in Form einer Unterrichtseinheit an hessischen und thüringischen Schulen verschiedener Schulzweige evaluiert. In der zugehörigen Studie wird die Auswirkung der im Konzept verankerten Wahlfreiheit auf die Schüler*innen untersucht, sowie die Sichtweise der Lehrkräfte auf das Konzept in den Blick genommen. Die Gruppen mit Wahlfreiheit in der Experimentierphase zeigten eine signifikant bessere Entwicklung in der Subskala „Interesse und Vergnügen“ auf, beim „physikalischen Selbstkonzept“ profitierten eher die Gruppen ohne Wahl. Auch die Lehrkräfte bewerten die Unterrichtseinheit mit Wahlmöglichkeiten positiver im Hinblick auf „affektive Merkmale“ und „Differenzierung“.

Fachwahl von Studierenden im Zusammenhang mit Fachinteresse und Brain Type

2023-05-31T11:24:17+02:00

In Studien mit Lernenden konnte gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen dem sogenannten „Brain Type“, ausgedrückt durch die Neigung zum Systematisieren oder Empathisieren, dem Fachinteresse an Physik und der Weiterwahl von Physik in der Oberstufe besteht. Es erscheint somit denkbar, dass sich entsprechende Zusammenhänge auch hinsichtlich der Studienwahl zeigen und sich z.B. vermehrt systematisierend veranlagte Personen für ein Studium der Physik entscheiden. Um dies zu überprüfen, wurden Lehramtsstudierende der Physik sowie Lehramtsstudierende anderer Fächer und Studierende der Physik ohne Lehramtsbezug hinsichtlich ihres Brain Types untersucht und um eine retrospektive Einschätzung ihres Fachinteresses sowie eine Abfrage ihrer Kurswahl in der Oberstufe gebeten. Im Beitrag werden die Ergebnisse dieser Studie vorgestellt, um Erkenntnisse zu gewinnen inwiefern der Brain Type und das Fachinteresse an Physik die Studienfachwahl von Lehramtsstudierenden beeinflussen. Die Befunde weisen in Übereinstimmung mit bestehenden Studien zum Brain Type von Schülerinnen und Schülern auf die Bedeutung der systematisierenden Dimension des Brain Types für Interesse und Wahlverhalten bezogen auf Naturwissenschaften hin.

Identitätsaushandlungen von Schüler*innen zu MINT im Anfangsunterricht

2023-05-30T09:29:24+02:00

Wie positionieren sich Schüler*innen in Bezug auf Naturwissenschaften und wie prägt der Anfangsunterricht das Verhältnis zu Physik und Chemie? Das BMBF-geförderte Forschungsprojekt IdentMINT untersucht während des Anfangsunterrichts in den Fächern Physik und Chemie über zwei Schuljahre hinweg Identitätsaushandlungen und Zugänge von Schüler*innen zu den Naturwissenschaften. In längsschnittlich angelegten quantitativen und qualitativen Erhebungen wird herausgearbeitet, wie Schüler*innen ihre MINT-Identitäten konstruieren, sich zu Naturwissenschaften positionieren und wie sich einzelne Aspekte von MINT-Identitäten während des Fachunterrichts entwickeln. Ziel ist es, besser zu verstehen, inwiefern die Phase des naturwissenschaftlichen Anfangsunterrichts prägend für die weiteren (naturwissenschaftlichen) Bildungswege ist. In einer ersten Fragebogenerhebung in den sechsten Klassen an fünf Gymnasien in Sachsen-Anhalt wurden dazu unter anderem naturwissenschaftsbezogene Einstellungen, Interessen, Selbstkonzept und Selbstwirksamkeitserwartungen als Indikatoren auf die eigene (MINT-) Identität erhoben.

Labs on Tour

2023-06-14T15:41:23+02:00

Mit dem Projekt Labs on Tour bringt die RWTH Aachen University in Kooperation mit der StädteRegion Aachen MINT-Angebote in den Nachmittags- und Freizeitbereich. Hierfür entstehen möglichst ansprechende und niederschwellige vierwöchige Kurse mit jeweils 90-minütigen Einheiten pro Woche, welche im Regelfall nachmittags in Schulen in der StädteRegion Aachen umgesetzt werden. Der Fokus liegt dabei nicht auf dem fachlichen Wissen, sondern darauf die Schüler:innen für MINT-Themen zu motivieren, ihnen Freude an Naturwissenschaften zu vermitteln und dabei Hemmschwellen und Vorurteile abzubauen. Die inhaltliche Grundlage für die Kurse bilden die vielfältigen Materialien der Schülerlabore der RWTH Aachen. Durchgeführt werden die Kurse in halbjährigen MINT-AGs direkt an den Schulen. Pro Halbjahr werden drei Kurse zu unterschiedlichen MINT-Themen eingesetzt, sodass die Schüler:innen ein vielfältiges und abwechslungsreiches Angebot kennenlernen. Um die Kurse so gut wie möglich auf die Interessen der Schüler:innen abzustimmen, wurde zu verschiedenen Gelegenheiten ein Brainstorming zu den Inhalten und Rahmenbedingungen der Kurse mit Schüler:innen durchgeführt. Im Beitrag werden das Konzept und erste Erfahrungen bei der Umsetzung des sehr gut angelaufenen Projekts erläutert.

Visions for Climate

2023-05-31T17:37:25+02:00

Hochschulen haben als Schnittstelle zwischen Lehre, Forschung und Transfer ein großes Potenzial, die Gesellschaft nachhaltiger zu gestalten. Einzelne Fachdisziplinen sind im Hinblick auf die angebotenen Lehrveranstaltungen im Bereich Klimawandel und Nachhaltigkeit inhaltlich stark voneinander getrennt und den Studierenden fehlt eine ganzheitliche Perspektive auf die Thematik. An dieser Stelle setzt „Visions for Climate“ als interdisziplinäre Ringvorlesung der Universität Mainz an. Diese veranschaulicht ausgehend von einer positiven Zukunftsvision Aspekte zu Klimaentwicklung, Klimagerechtigkeit und Nachhaltigkeit aus unterschiedlichen Fachperspektiven und führt diese zusammen. Die 17 UN-Nachhaltigkeitsziele ziehen sich dabei als roter Faden durch die Vorlesungsreihe. Neben der bloßen Wissensvermittlung ist angestrebt, auch Nachhaltigkeitskompetenzen und Selbstwirksamkeit zu fördern. Wie muss eine solche Vorlesung gestaltet sein, damit sie diesen Ansprüchen gerecht wird? Auf didaktischen Grundsätzen wie den "Elf Merkmalen guten Physikunterrichts" nach Merzyn aufbauend, wurde ein didaktisches Konzept erarbeitet, auf dem ein erster Durchgang der Veranstaltung basiert. Im Folgenden werden didaktische Ansätze und Entscheidungen für eine lernwirksame Vorlesungsgestaltung aufgezeigt.

Diagnose von Kompetenzfacetten zur Variablenkontrollstrategie

2023-06-14T14:39:01+02:00

ie Förderung experimenteller Fähigkeiten und Kompetenzen ist wesentlich für das Erlernen einer naturwissenschaftlichen Grundbildung bei Schüler:innen. Im experimentellen Prozess ist dabei die Anwendung der Variablenkontrollstrategie (VKS) zur Feststellung von Zusammenhängen wie Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen verschiedenen Größen nicht nur in der Physik, sondern vielmehr in allen Naturwissenschaften essentiell notwendig. Zur Erfassung der Kompetenzen im Bereich der VKS wird in der Literatur ein Modell mit vier VKS-Teilfähigkeiten und ein entsprechendes Diagnoseinstrument vorgeschlagen. Dessen Weiterentwicklung kann zur Operationalisierung der VKS und daraus folgend für die Differenzierung unterschiedlich gestufter Fähigkeitsniveaus innerhalb der VKS-Teilfähigkeiten genutzt werden und damit die Basis eines Kompetenzmodells zur VKS bilden. Die Differenzierung unterschiedlicher Antworten von Proband:innen im Testinstrument in Fähigkeitsniveaus ermöglicht die Anwendung adaptiver Teststrategien und weiter individualisierter Diagnostik-, Feedback- und damit Lern-Möglichkeiten für ein vertieftes Verständnis der VKS.

Die (Ab-)Wahl von Physik und Zusammenhänge zu Fachinteresse und Brain Type der Lernenden

2023-05-31T10:59:56+02:00

Das Interesse am Fach Physik scheint ein guter Prädiktor für die Weiterwahl des Faches Physik in die gymnasiale Oberstufe zu sein. Die bisherigen Untersuchungen liegen allerdings bereits über 20 Jahre zurück oder sind wenig aussagekräftig, da nicht nach konkreten Gründen für die Wahl bzw. Abwahl des Faches Physik gefragt wurde. Zudem wurden Lernende meist nach ihrem Geschlecht unterteilt, was manche Lernende nicht gut repräsentiert. Daher sollen im folgenden Beitrag Konstrukte der Empathizing-Systemizing-Theorie (EST) genutzt werden, um die Zusammenhänge zwischen Fachinteresse Physik und Kurswahl zur Oberstufe besser aufzuklären und ein geschlechterunabhängiges Merkmal zu nutzen. Zusätzlich wurden die Lernenden nach ihren Motiven für die Wahl oder Abwahl von Physik in Anlehnung an Wahlmotive aus der Chemie, die sich auf das Erwartung-mal-Wert-Modell beziehen, befragt. Zur Betrachtung der Zusammenhänge zwischen EST, Fachinteresse und Kurswahl wurde ein Pfadmodell erstellt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Fachinteresse Physik ein guter Prädiktor für die Weiterwahl von Physik in die gymnasiale Oberstufe ist, welcher von der Ausprägung des Systematisierens beeinflusst wird. Der Einfluss des Geschlechts auf das Fachinteresses Physik ist als gering festzustellen und es liegt kein Einfluss des Geschlechts auf die Kurswahl von Physik vor.

Entwicklungsorientierte physikdidaktische Forschung – ausgewählte Aspekte der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung entsprechender Studien

2023-07-13T10:16:05+02:00

In seinem Gastbeitrag zur Tagung „Physikdidaktik – Quo vadis?“ in 2021 hat der Erziehungswissenschaftler Ewald Terhart in seinem „Außenblick“ auf die Physikdidaktik die Stärkung „entwicklungsorientierter fachdidaktischer Forschung“ als wichtiges Ziel hervorgehoben. Als eine geeignete Möglichkeit dieses Anliegen zu stärken erscheint die Verknüpfung der Entwicklung und Implementation innovativer Konzepte und Materialien mit der empirischen Klärung relevanter Forschungsfragen. Auf der Basis eigener Erfahrungen und einschlägiger Literatur werden im Folgenden ausgewählte Aspekte der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung entsprechender Studien diskutiert. Ein wesentliches Ziel ist dabei die Anregung und Unterstützung entwicklungsorientierter physikdidaktischer Forschung mit direktem Schulbezug.

Förderung der Reflexionskompetenz im Lehr-Lern-Labor

2023-05-31T16:52:32+02:00

Die Fähigkeit und Bereitschaft von Lehrkräften zur Reflexion eigener Erfahrungen, in den vergan-genen Jahren zunehmend als Reflexionskompetenz modelliert, wird u.a. im Bereich der Professio-nalisierung als sehr bedeutsam angesehen. Gelegenheiten zur Stärkung ihrer Reflexionskompetenz durch Erprobung und Einübung von Reflexionsprozessen erhalten Lehrkräfte im ersten Ausbil-dungsabschnitt vor allem im Rahmen von Praxisphasen, wie z.B. Lehr-Lern-Laboren (LLL) mit iterativen Ansätzen. Am M!ND-Center der Universität Würzburg führen Studierende im LLL der Physikdidaktik mehrere Praxisphasen in zeitlichem Abstand durch, zwischen denen Überarbeitungs-phasen und Veranstaltungen zur gezielten Förderung von Reflexionsprozessen stattfinden. Im Rah-men eines Dissertationsprojekts werden Aspekte der Reflexionskompetenz sowie deren Entwick-lung in der Durchführungsphase des LLL untersucht.

Lernen durch Zeichnen

2023-05-31T23:56:38+02:00

Einstein, da Vinci, Darwin, Jobs und Penrose – alles namhafte Wissenschaftler und Erfinder, von denen bekannt ist, dass viele ihrer Arbeiten auf eindrückliche Zeichnungen, selbsterstellte Skizzen und Abbildungen zurückzuführen sind. Wie effektiv die Methoden des Zeichnens für das Lernen und Verstehen ist und inwiefern sie sich von anderen Methoden abgrenzt, ist bislang wenig beforscht. In dem Projekt wird der Frage nachgegangen, wie diese Methode für das selbständige und das Lernen und Erinnern in formalen Lernsettings der (Hoch-)Schule eigenen und sinnvoll ein- und umgesetzt werden kann. Dabei wird u.a. betrachtet, wie sich die Kreativität und weitere Persönlichkeitsmerkmale in Bezug auf Lernförderlichkeit auswirken. Erste Ergebnisse aus Studien zeigen eine hohe Motivation und Selbsteinschätzung hinsichtlich der Kreativität. Im Besonderen das Zeichnen stößt bei den Lernenden auf Zustimmung und Interesse es im Unterricht anzuwenden. In Bezug auf die Kreativität von Fächern werden die naturwissenschaftlichen im Gegensatz zu den musischen Fächern hingegen von den Probanden als deutlich unkreativer eingeschätzt.

Lernwirksamkeit von Analogiemodellen zum elektrischen Potenzial

2023-05-30T22:38:37+02:00

Zur Veranschaulichung der elektrischen Größen Strom, Potenzial und Spannung wird in der Literatur der Einsatz unterschiedlicher Analogiemodelle vorgeschlagen. Während einerseits die Verwendung verschiedener Analogiemodelle für jeweils einzelne Aspekte des elektrischen Stromkreises sinnvoll erscheint, könnte eine Stärke des Fahrradkettenmodells darin liegen, dass es auch durchgängig eingesetzt werden kann. Im Beitrag wird eine quantitative Studie vorgestellt, in der drei Unterrichtsvarianten gegenübergestellt und mit dem Fokus auf Potenzial und Spannung untersucht werden: Unterricht (a) mit Fahrradkettenmodell (b) mit Höhenmodell und (c) ohne Modell. Die Ergebnisse zeigen u. a., dass die Bedingung „Höhenmodell“ im verzögerten Potenzialtest mit kleinem Effekt unterlegen und die Bedingung „Fahrradkettenmodell“ im verzögerten Spannungstest mit kleinem Effekt den weiteren Bedingungen signifikant überlegen ist. Zudem findet im modellbasierten Unterricht ein Lernen über Analogiemodelle und damit ein Zuwachs in dem Modellverständnis der SchülerInnen statt.

Mach dein Gehirn fit für Physik

2023-05-16T16:59:46+02:00

Während Schüler*innen mit einem Fixed Mindset in herausfordernden Lernsituationen schnell aufgeben, lassen sich jene mit einem Growth Mindset nicht so schnell abschrecken, ganz unabhängig vom jeweiligen Könnens- und Wissensstand der Schüler*innen. Zu Beginn des Physikunterrichts in der 7. Jahrgangsstufe haben die meisten ein physikbezogenes Growth Mindset, doch dieser Anteil sinkt schon im ersten Lernjahr stark ab, während die Überzeugung einer notwendigen Physik-Begabung (Fixed Mindset) von mehr und mehr Schüler*innen vertreten wird.

Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken und das Growth Mindset in Physik zu stärken, wurde eine Lerneinheit entwickelt, die curriculumsunabhängig eingesetzt werden kann. Auf Basis der Neuroplastizität wird das Lernen erklärt. „Mach dein Gehirn fit für Physik“ ist ein digitales Angebot für Schüler*innen der Sekundarstufe I, das die Elemente der bewährten Mindset-Interventionen (z. B. von Yeager et al. 2019) mit einem Physik-Thema verknüpft, um fachspezifisch das Growth Mindset zu vermitteln.

Modelle und Modellieren aus der Sicht von Mathematik- und Physiklehrkräften

2023-05-30T13:39:49+02:00

Die Begriffe des Modells und des Modellierens spielen sowohl in den Bildungsstandards der Fächer Mathematik und Physik als auch in den entsprechenden Fachdidaktiken eine große Rolle. Die dem vorliegenden Beitrag zugrundeliegende Untersuchung versucht daher, die Überzeugungen von Lehrkräften der beiden Unterrichtsfächer mit Bezug zu diesen Begriffen zu erheben. Die Studie bedient sich dabei leitfadengestützter Interviews, in deren Verlauf die jeweilige Sichtweise der Lehrerinnen und Lehrer auf ihre eigene Unterrichtspraxis erhoben wird. Der Schwerpunkt der Auswertung liegt für diesen Beitrag auf dem Teilthema des Modellierens. Hierfür ergeben sich vier Kategorien, in die sich die Aussagen der Lehrkräfte einordnen lassen. Die Analyse ergibt einen fundamentalen Unterschied in der Sichtweise der Fächer auf das Modellieren und dazu vielfache, für beide Fächer übereinstimmende, Einstellungen und Überzeugungen der Lehrkräfte, die im Einzelnen dargestellt werden.

Untersuchung visueller Strategien beim Umgang mit Repräsentationen elektrischer Stromkreise

2023-05-31T20:50:48+02:00

Beim Erlernen physikalischer Konzepte spielen externe Repräsentationen eine wichtige Rolle. In der Elektrizitätslehre können verschiedene Arten von visuellen Repräsentationen elektrischer Stromkreise anhand ihrer Abstraktheit unterschieden werden. Das Spektrum reicht von standardisierten Schaltplänen bis hin zu Fotografien von real aufgebauten Schaltungen. Der Umgang mit diesen Repräsentationen bereitet Lernenden Schwierigkeiten, was sich beispielsweise darin äußert, dass die Translation zwischen den Repräsentationen nicht gelingt oder fälschlicher Weise Symmetrie als Kriterium zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit herangezogen wird. In unserem Forschungsvorhaben soll in den Blick genommen werden, auf welche Weise Lernende Repräsentationen elektrischer Stromkreise beim Lösen von Aufgaben aus der Elektrizitätslehre nutzen. Hierfür werden Aufgaben für eine Eye-Tracking-Studie entwickelt, in der die visuelle Aufmerksamkeit beim Lösen von Aufgaben mit Schaltplänen untersucht wird. Damit wollen wir uns der Frage widmen, welche visuellen Strategien im Umgang mit Schaltplänen beim Bearbeiten von Aufgaben zu elektrischen Stromkreisen identifiziert werden können

Vorstellungen von Studierenden zum elektrischen Stromkreis

2023-07-02T19:36:56+02:00

Im Rahmen der Lernendenvorstellungsforschung sind seit den 1970er Jahren eine enorme Anzahl von Studien zu Themen der Physik durchgeführt worden. In den Arbeiten zum elektrischen Stromkreis zeigen sich bei Schüler:innen sowohl national als auch international eine Reihe von Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten. Typische Vorstellungen wie z. B. die Stromverbrauchsvorstellung lassen sich auch bei Studierenden der Physik (Haupt- oder Nebenfach) sowie Lehramtsstudierenden der Physik feststellen (Burde et al., 2022; Fromme, 2018). Zur Untersuchung der Vorstellungen von Sachunterrichtsstudierenden und Studierenden der Ingenieurwissenschaften zu grundlegenden Konzepten des einfachen elektrischen Stromkreises und möglichen Veränderungen des konzeptionellen Verständnisses durch Lehrveranstaltungen wurden an der Europa-Universität Flensburg und der Hochschule Flensburg Befragungen durchgeführt. Die Datenerhebungen erfolgten mithilfe des 2T-SEC-Tests (Ivanjek et al., 2021) in einem Zwei-Gruppen-Pretest-Posttest-Design. Es werden erste Ergebnisse zum konzeptionellen Verständnis der Proband:innen zu Beginn des Studiums sowie erste Ergebnisse der Interventionsstudien vorgestellt.

Zweistufiges Messinstrument zum konzeptionellen Verständnis von Abbildungsvorgängen an der Sammellinse

2023-05-31T14:44:56+02:00

Ein wesentlicher Zugang zu naturwissenschaftlichen Inhalten sind Modelle und Repräsentationen von Phänomenen. Jeglicher naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung liegen bewusst getroffene Idealisierungen zugrunde. Dieses Projekt folgt der Hypothese, dass fehlverstandene Idealisierungen zu alternativen Konzepten führen können und eine explizite Auseinandersetzung mit ihnen lernförderlich sein kann. Zur Analyse der Wirksamkeit eines solchen Ansatzes bedarf es einer verfahrensökonomischen Methode für die Erhebung der vorherrschenden Konzepte der Lernenden. Dafür wurde, aufbauend auf einem bestehenden Instrument von Teichrew & Erb (2019), ein Test zu Schüler:innenvorstellungen zu Abbildungsvorgängen in der geometrischen Optik entwickelt. Anders als bei bestehenden Messinstrumenten, wird hier bewusst von strahlenoptischen Darstellungen Abstand genommen, um den Fokus auf ein konzeptionelles Verständnis zu legen. Der zweistufige Test (Antwort und Begründung) erweitert das bereits bestehende Messinstrument für die Anfangsoptik um Items zu Abbildungen an der Sammellinse. Der Test selbst sowie erste Ergebnisse der Pilotierung werden in diesem Beitrag vorgestellt.

Evaluating digital experimental tasks for physics laboratory courses

2023-06-13T12:09:18+02:00

As physics laboratory courses are an integral part of studying physics, many approaches have been pursued to evaluate their quality e.g., regarding the improvement of conceptual understanding, the students’ motivation, or the acquisition of adequate concepts about experimental physics. So far, most approaches either evaluate laboratory courses in their entirety like a course evaluation or focus on the students’ development of (specific) competencies. However, even though experimental tasks are the backbone of any laboratory course concept, specific instruments to evaluate individual experimental tasks are missing. Both approaches mentioned above are unsuitable for that aim since typical laboratory courses consist of multiple tasks and the development of competencies takes place on a larger time scale than the execution of individual tasks. Thus, as part of the Erasmus+ project DigiPhysLab (Developing Digital Physics Laboratory Work for Distance Learning), we developed a questionnaire to explicitly evaluate the quality of an individual experimental task. The questionnaire has been discursively developed and softly validated within our project group and is now available in four languages. In this contribution, we share our ideas behind and our experiences with the use of this instrument for piloting experimental tasks.

Wirkungsvolle Augmented Reality-Experimente im physikalischen Praktikum

2023-05-31T20:55:52+02:00

Augmented Reality (AR) bietet als digitales Werkzeug neue Möglichkeiten, die auch in der Lehre immer häufiger zum Einsatz kommen. Im Rahmen des Projektes WARP-P (Wirkungsvolle AR im Praktikum Physik) wurden ausgewählte Experimente des Elektrizitätslehre-Praktikums mit passenden dynamischen Modellen zu AR-Experimenten transformiert. Eingebettet in eine digitale Lernumgebung wird der naturwissenschaftliche Erkenntnisprozess den Lehramtsstudierenden erlebbar: Anstatt die Versuchsanleitung rezeptartig abzuarbeiten, werden mithilfe der dynamischen Modelle Hypothesen generiert und anschließend im Experiment direkt überprüft. Mithilfe von Tablets wird das Kamerabild des (realen) Experiments mit dem Modell und den in ihm abgebildeten physikalischen Größen in Echtzeit überlagert. Nach dem Einsatz des AR-Experiments können die Studierenden die Richtigkeit ihrer Modellannahmen in Kontrollfragen mit Musterantworten überprüfen. Über den gesamten Verlauf wurde das Projekt qualitativ, in Form von Studierendenbefragungen, und quantitativ in Bezug auf die Selbstwirksamkeitsentwicklung evaluiert. Die qualitativen Ergebnisse zeigen, dass die AR-Experimente als gewinnbringend wahrgenommen werden. Außerdem ist über das Praktikum hinweg eine positive Entwicklung der Selbstwirksamkeit in Bezug auf das Experimentieren mit AR zu beobachten.

Entwicklung praxistauglicher, inklusiver MINT-Vermittlungskonzepte für die Schule

2023-05-31T18:17:09+02:00

Schon seit längerer Zeit besteht ein erheblicher Handlungs- und Forschungsbedarf hinsichtlich praxiserprobter und lernwirksamer Unterrichtskonzepte für den inklusiven fachübergreifenden naturwissenschaftlichen Unterricht. In diesem Kontext ist das vom BMBF geförderte Design-Based-Research-Projekt E²piMINT angesetzt, in dem ein innovatives Vermittlungskonzept für die Sekundarstufe I entwickelt, getestet und evaluiert wird. Dazu entwickelt ein Team aus Vertreter*innen aller drei Naturwissenschaftsdidaktiken sowie der Sonderpädagogik unter Einbezug von Lehrkräften an Kooperationsschulen Vermittlungskonzepte, die zunächst im Goethe-Schülerlabor der Universität Frankfurt unter kontrollierten Bedingungen erprobt und evaluiert werden. An diese erste Phase schließen sich zwei Design- und Re-Design-Zyklen an, die in den Schulen stattfinden, um die praktische Wirksamkeit im Unterricht zu erforschen. Das erste Design für den inklusiven fachübergreifenden MINT-Unterricht wurde zum Thema „Farben“ entwickelt und im Schülerlabor eingesetzt und erprobt.

Physikbezogene BNE didaktisch rekonstruiert

2023-05-31T20:31:24+02:00

Im Verbund der Oldenburger Lehr-Lern-Labore (OLELA) richtet die Physikdidaktik zurzeit ein Schüler:innen- und Bürger:innenlabor zur Energie- und Klimabildung ein. Da es sich hierbei um Themen handelt, die über große Relevanz für die Transformation in eine nachhaltige Gesellschaft verfügen, besteht in den Lehr-Lern-Angeboten des Labors die Chance, eine Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) zu erreichen. Diese Chance soll ergriffen werden, indem perspektivisch viele Fächer ihren jeweiligen disziplinären Beitrag zu einem solchen Lehr-Lern-Labor im Hinblick auf eine BNE beisteuern sollen. Hieraus erwächst für die Physikdidaktik die Fragestellung, wie ihr disziplinärer Beitrag zu einem solchen Labor aussehen könnte. Ein möglicher Beitrag, der daraufsetzt, Studierende mit dem Ziel Lehramt Physik im Rahmen ihrer Lehrkräfteprofessionalisierung in die fachdidaktisch fundierte Entwicklung und Erprobung entsprechender Angebote einzubinden, wird im Folgenden vorgestellt. Er beruht auf einer Verknüpfung des Modells der Didaktischen Rekonstruktion (Duit et al., 2012) mit dem Ansatz der Kontextstrukturierung nach Nawrath (2010), der auf nachhaltigkeitsbezogene Frage- und Problemstellungen ausgerichtet wird.

Studieren Erfahrbar Machen - Realitätsnahe Einblicke in ein Physikstudium für Schüler:innen

2023-06-12T15:10:37+02:00

Die Fachgruppe Physik der RWTH Aachen hat zur Verbesserung des Übergangs zwischen Schule und Hochschule das Programm SEM (Studieren Erfahrbar Machen) entwickelt und im Zeitraum von Mai bis September 2022 erstmalig umgesetzt. In diesem Programm konnten 28 Schülerinnen und Schüler mit Interesse an einem Physikstudium repräsentative Aspekte des Studiums realitätsnah erleben. Das Programm wurde hybrid (sowohl in Präsenz als auch online), unterstützt durch die Plattform RWTHmoodle, angeboten und dauerte für jede der insgesamt sieben Kohorten drei Wochen. Die Teilnehmenden erhielten einen realitätsnahen Einblick in den Ablauf der Veranstaltungen „Experimentalphysik 1“ und „Mathematische Methoden der Physik“ des ersten Semesters des Bachelorstudiums Physik. Im Beitrag wird das Angebot motiviert, sein Ablauf beschrieben und es werden erste Evaluationsergebnisse vorgestellt.

Energie und Energieumwandlungen im inklusiven Unterricht

2023-05-31T22:53:00+02:00

Alle Prozesse im Universum und im Leben sind mit Energieumwandlungen verbunden. Daher sind diese ein Unterrichtsthema am Übergang von der Mittel- zur Oberstufe. Hierzu wurde ein Konzept zur Behandlung im inklusiven Unterricht der Klassenstufe 10 entworfen.
Es wurde eine Differenzierungsmatrix nach Sasse & Schulzeck entwickelt, die es Schüler*innen ermöglicht, beim Lernen ihren Schwierigkeitsgrad, aber auch die Art ihres Zugangs selbst zu wählen. Dabei haben sich die Schüler*innen abweichend vom Ursprungskonzept der Differenzierungsmatrix nicht individuell, sondern in Gruppen durch die Matrix bewegt und mussten sich so der Herausforderung stellen, einen gemeinsamen Weg durch die Matrix zu entwickeln. Um dies zu ermöglichen, wurde statt dem verbreiteten Schema ”Motivation - Definition des Energiebegriffs - Anwendung” zu folgen, der Energiebegriff an Hand von Umwandlungsprozessen eingekreist und soweit heraus geschärft, dass eine formale Definition am Ende der Einheit fast unnötig wurde. Es werden auch Beispiele aus der Energieversorgung betrachtet und auch das Problem der Energieentwertung behandelt.
Das Konzept wurde in der Gesamtschule Köln-Holweide in einer Unterrichtsreihe sowie einer Vergleichsklasse erprobt.

Physik und Tontechnik

2023-06-15T13:56:16+02:00

Audiomedien sind ein fester Bestandteil unserer Lebenswelt. Sie transportieren Musik, Wort oder O-Töne, begleiten Bilder in Fernsehen und Kino und sind dank moderner Kommunikationstechnologie an jedem Ort und jederzeit verfügbar. Die Produktion dieser Medien ist uns jedoch weniger vertraut. Insbesondere die der Audioproduktion und den Geräten der Studiotechnik zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien sind allgemein nicht bekannt und werden in der Regel auch im Physikunterricht nicht oder nur beispielhaft thematisiert. Dieses Feld bietet aber eine Fülle von Lerngelegenheiten für grundlegende Inhalte der Schulphysik und damit einen relevanten Beitrag zur multiperspektivischen Wahrnehmung der Physik.

Aktuelle Befunde aus der Begleitforschung zum Quereinstiegsmaster im Fach Physik an der Freien Universität Berlin

2023-06-23T10:53:12+02:00

Alternative Wege in den Lehrer*innenberuf wurden in den vergangenen Jahren für unterschiedliche Fächer und Schulformen in nahezu allen Bundesländern geschaffen. Um auch die Qualität alternativer Wege in den Lehrer*innenberuf gewährleisten zu können, bedarf es sowohl der Einführung von (Mindest-)Standards als auch empirischer Forschung zu den professionellen Handlungskompetenzen der über alternative Wege qualifizierten Lehrer*innen. Der alternative Weg des Quereinstiegs während des Studiums wird an der Freien Universität Berlin seit 2016 in Form das Modellstudiengangs ‚Q-Master‘ erprobt und durch evaluative Forschung begleitet: Im Studienfach Physik wird exemplarisch die Ausprägung und Entwicklung fachlicher Aspekte professioneller Handlungskompetenz mittels Tests und Fragebögen längsschnittlich erfasst und mit Studierenden des regulären Lehramtsmasters an der FU Berlin verglichen. Ergänzt wird dieses Vorgehen durch leitfadengestützte Interviews zu zwei Befragungszeitpunkten.

Die Ergebnisse der quantitativen Begleitforschung an der FU Berlin deuten auf eine Ausprägung und Entwicklung professioneller Kompetenzen der Q-Masterstudierenden hin, welche mit der von Studierenden des regulären Lehramtsmasters vergleichbar ist. Die Auswertung der Interviewdaten deutet bislang darauf hin, dass weniger geradlinige Berufsbiografien nicht nur bei Q-Masterstudierende vorkommen. Als wertvoll für die Professionalisierung schätzen die Studierenden das Praxissemester sowie fachdidaktische und bildungswissenschaftliche Lehrveranstaltungen ein, während die Nützlichkeit umfänglicher fachwissenschaftlichen Lehrinhalte für die spätere Berufspraxis infrage gestellt wird.

Der Beitrag stellt Ergebnisse der Begleitforschung zum Q-Master an der FU Berlin vor und diskutiert diese hinsichtlich der Implikationen für die Lehrer*innenbildung.

Differenzierte Heimexperimente mit dem Smartphone – Entwicklung in einem Seminar im Physik-Lehramtsstudium

2023-05-31T22:07:42+02:00

In einem Seminar im Physik-Lehramtsstudium der Friedrich-Schiller-Universität Jena werden Smartphone-Experimente mit drei verschiedenen, differenzierten Arbeitsblättern zur Anleitung konzipiert. Diese sollen so gestaltet sein, dass in der Regel nicht auf eine physikalische Gerätesammlung zurückgegriffen werden muss, sondern die Versuche als Heimexperimente durchgeführt werden können. Dieser Ansatz wurde durch eine Kooperation zwischen Pädagogischer Psychologie und Physikdidaktik entwickelt und entstand im Teilprojekt Inklusion systematisch implementieren (Isi) des QLB-Projekts PROFJL². In diesem Artikel werden die Lehrveranstaltungen an der Universität und Arbeiten von Studierenden aus dem Seminar vorgestellt. Als Beispiel dienen zwei Experimente zum Fadenpendel und zum Druck. Beide werden mit ihren drei im Anforderungsniveau differenzierten Aufgabenstellungen präsentiert.

Digitale Sensoren in der Lehramtsausbildung

2023-05-31T23:21:51+02:00

Die Forderung nach digitalen Kompetenzen bei Lehrenden ist nicht erst seit der Pandemie in der öffentlichen Diskussion. Als Multiplikatoren garantieren sie den Transfer dieser Fähigkeiten in die nächsten Generationen. Die digitalen Kompetenzen und der Umgang mit digitaler Sensorik muss daher einen zentralen Platz in der Ausbildung von Lehramtsstudierenden einnehmen. Wir präsentieren zwei beispielhafte Experimente aus der Lehrveranstaltung zu digitalem Physikunterricht im Master an der Universität Stuttgart und zeigen, wie diese praxisnah in die Ausbildung implementiert werden können.

Förderung digitaler Kompetenzen in der schulstufenübergreifenden Lehrkräftebildung

2023-05-19T21:27:54+02:00

Eine Besonderheit der naturwissenschaftlichen Lehrkräftebildung an der Leuphana ist, dass Studierende des Lehramts für die Grundschule (Sachunterricht mit Bezugsfach Naturwissenschaften) und für die Sekundarstufe I (Biologie und/oder Chemie) gemeinsam die naturwissenschaftsdidaktischen Module im Bachelor besuchen. Im Projekt Forschendes Lernen mit digitalen Medien (FoLe – digital) wurden digitale Medien systematisch in die bereits etablierte Modulstruktur – der schrittweisen Spezifizierung der Inhalte ausgehend von der theoretischen Auseinandersetzung mit fachübergreifenden naturwissenschaftsdidaktischen Schwerpunkten hin zur fachspezifischen praxisorientierten Anwendung jener im Rahmen des Forschenden Lernens – implementiert, um neben fachdidaktischen auch digitale Kompetenzen der angehenden Lehrkräfte zu fördern.

Die Ergebnisse der Begleitforschung zeigen, dass die Studierenden, unabhängig von der gewählten Schulform, nach dem Besuch der naturwissenschaftsdidaktischen Module eine positivere Einstellungen sowie eine höhere Selbstwirksamkeitserwartung gegenüber dem Lehren und Lernen mit digitalen Medien angeben. Ebenfalls konnte eine Zunahme der durch die Teilnehmer:innen selbst eingeschätzten professionellen Kompetenzen hinsichtlich des Einsatzes digitaler Medien im naturwissenschaftlichen Unterricht belegt werden. Der Vergleich zwischen den naturwissenschaftlichen Fächern zeigte zudem, dass Studierende der Primarstufe quantitativ mehr und eine größere Vielfalt an digitalen Medien in ihren Unterrichtsentwürfen berücksichtigen als ihre Kommiliton:innen der Sekundarstufe I.

Videovignetten zu Lernendenvorstellungen in der Lehramtsausbildung

2023-05-29T13:11:20+02:00

Im Artikel werden Videovignetten zu Lernendenvorstellungen von Schülerinnen und Schülern in der Physik vorgestellt. Die Videovignetten sind eine Möglichkeit, Lehramtsstudierende professionell auf den Umgang mit Lernendenvorstellungen im späteren Unterricht vorzubereiten. Im Rahmen des Projekts VidNuT (Videovignetten in Naturwissenschaft, Technik und Textil) wurden Drehbücher und entsprechende Videovignetten für die Lehrkräfteaus- und -fortbildung entwickelt. Der Fokus der hier im Fach Physik eingesetzten Vignetten liegt darauf, Lernendenvorstellungen aufzugreifen und eine Professionelle Unterrichtswahrnehmung sowie Fachdidaktisches Wissen der angehenden Lehrkräfte zu fördern. Der Artikel beschreibt drei verschiedene Vignetten zu Schülervorstellungen aus der Optik. Jede Vignette stellt verschiedene Aufgaben und Übungen für die Studierenden zur Verfügung, um ihnen zu helfen, ihre Professionelle Unterrichtswahrnehmung zu trainieren und sich Handlungsoptionen zu überlegen, um einen geeigneten Konzeptwechsel bei Lernendenvorstellungen zu ermöglichen. Das speziell dafür entwickelte vorbereitende Seminar zum Thema "Lernendenvorstellungen" ist in zwei Phasen aufgeteilt, wobei die Teilnehmerinnen und Teilnehmer sich theoretisch und praktisch mit dem Thema auseinandersetzen und ihre eigene Unterrichtswahrnehmung in einem komplexitätsreduzierten Umfeld schulen können. In einer Pilotstudie mit einer kleinen Gruppe von sechs Masterstudierenden wurde das Seminar im Wintersemester 2022/23 erstmals getestet.

Analyse studentischer Fehlvorstellungen mittels des Force Concept Inventory

2023-05-31T20:06:15+02:00

Das Force Concept Inventory ist ein international etabliertes Diagnoseinstrument für das Konzeptverständnis der Newtonschen Mechanik. Wir haben über einen Zeitraum von zehn Jahren von knapp 5000 Studierenden der Ingenieurwissenschaften an der TH Rosenheim zu Studienbeginn Testdaten erhoben. Die Auswertung mittels Item Response Curves erlaubt für jede Frage die Analyse sowohl der richtigen als auch aller falschen Antwortoptionen. Insbesondere lassen sich auf diese Weise Distraktoren identifizieren, die gängige Fehlvorstellungen widerspiegeln. Es zeigt sich, dass die am häufigsten gewählten Distraktoren auf der Annahme beruhen, jeder Bewegung müsse eine Kraft in Bewegungsrichtung zu Grunde liegen. Daten von Universitäten der USA zeigen ein vergleichbares Ergebnis. Die vorgestellte Analyse dient als Grundlage zur Verbesserung von Lehrsequenzen.

Auswirkungen einer Online-Intervention (Mindset, Lerntechniken) auf den Studieneinstieg

2023-05-22T08:29:16+02:00

Die Überzeugung, dass intellektuelle Fähigkeiten schrittweise immer weiterentwickelt werden können, („Growth Mindset“) könnte Studierende beim Einstieg in ein Physikstudium unterstützen. Die Studie untersucht die Auswirkungen einer 60-minütigen Online-Intervention anhand von 9 Fallbeispielen, um die Wirkung des Kurses besser verstehen zu können und daraus weitere Maßnahmen abzuleiten. Hierfür wurden zu drei Zeitpunkten im ersten Semester an der Universität Paderborn quantitative und qualitative Daten erhoben. Das Feedback der Studierenden zeigt, dass die Materialien insgesamt als hilfreich wahrgenommen werden. Der Kurs allein konnte bereits für einige Studierende eine positive Wirkung entfalten. Allerdings zeigt die Analyse auch, dass nach der Kursteilnahme einige ungünstige Überzeugungen weiter bestehen, welche die Wirkung der Intervention begrenzen können. Das volle Potenzial der Mindset-Theorie ließe sich daher wohl nur in Kombination mit weiteren Maßnahmen voll ausschöpfen.

Belastungsquellen in der Studieneingangsphase Physik

2023-06-29T17:32:03+02:00

Die Studieneingangsphase Physik wird von Studierenden oftmals als herausfordernd empfunden, was sich in Belastungsempfindungen ausdrücken kann. Um die Ursachen dieser Belastung besser nachzuvollziehen, wurden Physikmono- und -zweifächerbachelorstudierende der Universität Göttingen in ihrem ersten und zweiten Semester in einer Panelstudie nahezu wöchentlich an 44 Messzeitpunkten nach ihren bis zu drei zentralsten Belastungsquellen gefragt. Die insgesamt 3467 Antworten wurden in einer strukturierten Inhaltsanalyse in 20 Kategorien in vier Dimensionen (universitäre, private, globale und sonstige Belastungsquellen) zusammengefasst und kodiert. Zentrale Belastungsquellen sind die wöchentlichen Übungsblätter (speziell in der Mathematik), die Mathematik-Lehrveranstaltungen selbst sowie die Prüfungen und Prüfungsvorbereitung. Dabei bilden die Anzahl und Art der jeweils genannten Belastungsquellen den Verlauf des Semesters ab und zeigen die in den einzelnen Semesterwochen charakteristischen Schlüsselherausforderungen auf. So können perspektivisch passgenaue Unterstützungsmaßnahmen ins Physikstudium implementiert werden.

Einführung in die Quantenphysik über die Astronomie

2023-08-02T10:52:10+02:00

Die Quantenrevolution 2.0 erfordert neben einem vertieften theoretischen Verständnis von Verschränkung, Wellenfunktionen und deren Eigenschaften vor allem praktische Fähigkeiten, um diese Technologien in der Praxis umsetzen zu können. Für die Arbeit an Quantentechnologien müssen Studierende daher ein breites Spektrum experimenteller Fertigkeiten erlernen. Damit dies einer breiten Gruppe an Studierenden zugänglich gemacht wird, bedarf es einem aktivierenden Einstieg. Erfahrungsgemäß haben Schüler*innen und Studierende ein hohes Interesse an der Astronomie, unabhängig ihrer schulischen Leistungen. Wir stellen daher einen Einstieg in die Quantenphysik über die Astronomie vor. Fertigkeiten aus den Bereichen Photonik, Messtechnik und Atomphysik werden anschließend für das Kennenlernen moderner Quantensensoren aus NV- Zentren in Diamanten angewendet. Des Weiteren verknüpfen wir auf klassischem Weg mehrere Bereiche der modernen Physik mit der Quantenphysik. Dieser Zugang eignet sich für Schüler*innen, Lehramtsstudierende sowie für Ingenieure, die bisher wenig Berührungspunkte mit der Quantenphysik hatten.

Erarbeitung eines spiralcurricularen Blended Learning Konzepts für die Mathematikausbildung der Studiengänge Lehramt Physik

2023-05-31T13:54:22+02:00

In den Staatsexamensstudiengängen Lehramt Physik in Sachsen sind in den ersten vier Semestern durch die Kombination zweier Lehramtsfächer nur jeweils zehn Leistungspunkte pro Semester für die Physik-Fachausbildung vorgesehen. Eine hinreichenden Mathematik-Ausbildung wird durch die Integration der Mathematikausbildung im Form Mathematischer Methoden Seminare in die Physik-Module sichergestellt. Sie sind an den aktuellen physikalischen Problemen ausgerichtet und geben den Studierenden just-in-time das benötigte mathematische Hintergrundwissen.

Im vorgestellten Projekt werden die Mathematischen Methoden der ersten beiden Semester der Lehramtsstudiengänge Physik an der Universität Leipzig in ein Blended Learning Format überführt, in dem über digitale Lehrformate wie Lehrvideos und Simulationen, sowie Präsenzseminare die mathematischen Inhalte vermittelt und mit den physikalischen Anwendungen verknüpft werden. Die Videos dienen der Strukturierung des Selbststudiums. Sie enthalten u. a. interaktive Aufgabenstellungen und formative Tests, um den Studierenden ein Feedback mit konkreten Handlungsvorschlägen zu geben. Gleichzeitig zeigen Sie dem Lehrenden Defizite des Selbststudiums zur Planung der Präsenzseminare auf. Die Anwendung der Mathematik auf konkrete physikalische Probleme geschieht in den vertiefenden Mathematikseminaren mittels kollaborativer Lehr-Lern-Sequenzen.

Interaktive Lern- und Übungsaufgaben in der Physiklehramtsausbildung

2023-05-31T16:43:07+02:00

Das konstruktivistische Verständnis von Lernen betont, dass Lernen ein aktiver Prozess ist, bei dem Lernende Wissen aktiv konstruieren, indem sie neue Informationen mit ihrem vorhandenen Wissen verknüpfen. Der Ansatz der interaktiven Lernpfade unterstützt dieses Verständnis, indem er individualisierte Lernwege anbietet, bei denen die Lernenden ihr eigenes Lerntempo bestimmen und ihr Wissen und Verständnis durch gezielte (interaktive) Aufgaben aufbauen können. Offen bleibt die Frage, ob es Unterschiede in der Herangehensweise an das Lernen mit interaktiven Lernpfaden in verschiedenen Lehrformaten (Online vs. Präsenz) gibt. Ein interaktiver, webbasierter Lernpfad mit einer Vielzahl interaktiver Aufgaben wurde in geführter Online-Lehre, geführter Präsenzlehre und im asynchronen Selbststudium eingesetzt und evaluiert. Die Stichprobe (N = 66) bestand aus Lehramtsstudierenden der Physik. Sie bearbeiteten den Lernpfad mit den interaktiven Aufgaben mit dem Ziel, fachdidaktisches Wissen aus vergangenen Vorlesungen auf ein konkretes Thema anwenden zu lernen. Die Aktivitäten der Teilnehmenden und die jeweiligen Bearbeitungserfolge wurden mit Hilfe von xAPI-Statements in einem Learning Record Store erfasst und anschließend analysiert. Die Ergebnisse zeigten u.a., dass Lernenden im Selbststudium signifikant kürzere Bearbeitungszeiten, ein chaotischeres Lernverhalten und im Mittel geringere Bearbeitungserfolge aufweisen. Außerdem setzten die Lernenden im Selbststudium, die einen hohen Bearbeitungserfolg erzielten, andere Schwerpunkte als Lernende, die einen geringen Bearbeitungserfolg erzielten.

Lehr-Lernüberzeugungen und Lehrhandeln studentischer Tutor*innen

2023-05-24T08:57:12+02:00

Studentische Tutor*innen leisten an vielen Universitäten einen wichtigen Beitrag zur Lehre, empirisch ist ihre Arbeit jedoch bisher nur wenig untersucht. Im Kontext universitärer Informatiklehre konnten beispielsweise Auswirkungen von Lehr-Lernüberzeugungen der Tutor*innen auf ihre Bewertung durch die Übungsteilnehmenden nachgewiesen werden. Vergleichbare Untersuchungen im Bereich der universitären Physikübungen fehlen bisher jedoch. So ist es weitgehend unklar, inwiefern sich die Lehr-Lernüberzeugungen von Physiktutor*innen, vermittelt über ihr Lehrhandeln, auf den Erfolg der Übungsteilnehmenden in der betreffenden Lehrveranstaltung auswirken (entsprechend dem Mediationsmodell der COACTIV Studie für schulischen Mathematikunterricht). Folglich untersucht das aktuelle Projekt in mehreren Grundlagen- und Nebenfachlehrveranstaltungen am Fachbereich Physik der TU Darmstadt dieses Mediationsmodell. Das Lehrhandeln ist hierbei operationalisiert durch die von den Übungsteilnehmenden wahrgenommene Lehrqualität. Des Weiteren werden die Klausurnote und die Zufriedenheit der Übungsteilnehmenden mit der Betreuung erfasst. Im Beitrag werden die Skalenbildung und Ergebnisse der Pilotierung vorgestellt.

Lernmaterialien für die Studieneingangsphase Physik

2023-05-12T09:20:34+02:00

In der Studieneingangsphase Biologie und Physik spielt das fachspezifische Wissen zu Studienbeginn eine zentrale Rolle für den Studienerfolg. Dabei werden in Biologie und Physik durch das Konzeptverständnis und in Physik zusätzlich durch die Fähigkeit zur Wissensanwendung, d. h. zur erfolgreichen Bearbeitung fachspezifischer Problemlöseaufgaben, der Studienerfolg vorhergesagt. Im Verbundprojekt EASTER (Einfluss der Förderung spezifischer Wissensarten auf den Studienerfolg in Biologie und Physik) sollen diese Fähigkeiten gezielt durch fachspezifische Lernmaterialien gefördert werden. Zur Förderung von Wissensanwendung werden daher Lösungsbeispiele eingesetzt. Im Beitrag wird die Konzeption dieser „EASTERLösungsbeispiele“ vorgestellt. Sie orientieren sich strukturell an dem Modell des wissenszentrierten Problemlösens, setzen empirische Erkenntnisse zur wirksamen Gestaltung von Lösungsbeispielen um und beziehen sich inhaltlich auf Themen des ersten Fachsemesters, insbesondere die Newton‘sche Mechanik.

Multiple Repräsentationen und Zeichenaktivitäten als Zugänge zu Vektorfeldkonzepten

2023-06-11T21:58:47+02:00

Um Vektorfeldkonzepte wie die Divergenz in physikalischen Kontexten anzuwenden, ist ein konzeptionelles Verständnis notwendig. Bisherige empirische Forschungsergebnisse zeigten hierbei zahlreiche Schwierigkeiten von Studierenden im Umgang mit dem Divergenzkonzept auf, die sich beispielsweise auf die visuelle Interpretation der Kovariation von Komponenten und Koordinaten zurückführen lassen. Im Einklang mit lerntheoretischen Erkenntnissen erscheint daher der Einsatz multipler Repräsentationen bei der Vermittlung dieser Konzepte plausibel. Aus diesem Grund wurden Lehr-/Lernmaterialien (LLM) entwickelt, die einen visuellen Zugang zum Divergenzkonzept anhand multipler Repräsentationen und Zeichenaktivitäten ermöglichen. Der Einfluss der Zeichenaktivitäten als Zwischensubjektfaktor wurde in zwei Wirksamkeitsstudien mit Physikstudierenden der Studieneingangsphase untersucht. Vergleiche zwischen einer Interventionsgruppe, die mit Zeichenaktivitäten instruiert wurde, und einer Kontrollgruppe, die ohne Zeichenaktivitäten instruiert wurde, ergaben signifikante Unterschiede bzgl. der Performanz (Antwortkorrektheit und -sicherheit) von Physikstudierenden in einem Transfertest nach der Bearbeitung des LLM (N=84). Darüber hinaus zeigten sich signifikante Performanzunterschiede zwischen LLM-nahen und LLM-fernen Aufgaben innerhalb des Transfertests, woraus sich der Bedarf für weiterführende, zielgerichtete Instruktionen vor allem zum Konzept der Kovariation ableiten lässt.

Offene Projektaufgaben mit Smartphone-Experimenten für die Studieneingangsphase Physik

2023-06-29T19:44:18+02:00

Zur Förderung von Neugier, Interesse und sozialer Eingebundenheit sowie zur Unterstützung des selbstgesteuerten, vernetzenden, forschungsbasierten Lernens wurden an der Universität Göttingen in die Erstsemesterveranstaltung Experimentalphysik I für Physikhauptfach- und -zweifächerbachelorstudierende „undergraduate research projects“ implementiert. In Kleingruppen arbeiteten die Studierenden über zwei Monate lang an jeweils einer von sechs Experimentierprojektaufgaben. Diese erforderten die Smartphone-gestützte Erfassung eigener Messdaten und deren Auswertung sowie eine Präsentation der Ergebnisse auf einem wissenschaftlichen Poster. Die Arbeit in den Projektgruppen und insbesondere die Ausgestaltung der Aufgabenstellungen wiesen einen hohen Offenheitsgrad auf. In diesem Beitrag werden die Entwicklung und Konzeption dieser Projektaufgaben anhand eines Theorierahmens zur Entwicklung von Experimentieraufgaben beschrieben, welches die Zielgruppe, die Lernziele, die eigentliche Aufgabenkonzeption, das Design der Lernmaterialien und die Implementation in die Lehre sowie dabei zu beachtende organisatorische Faktoren umfasst.

Open Educational Resources für den Hochschulbereich

2023-05-30T21:58:39+02:00

In der Vektoranalysis werden Konzepte der Vektorrechnung und der höherdimensionalen Analysis verknüpft, um die physikalisch-technische Welt mathematisch zu beschreiben. Damit stellt sie einen zentralen Bestandteil universitärer Lehre in der Studieneingangsphase physikalisch-technischer Studiengänge dar; den Studienanfänger:innen bereitet die Vektoranalysis jedoch nachweislich Schwierigkeiten. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen der niedersächsischen Förderlinie „Förderung von OER an Niedersächsischen Hochschulen” als Kooperation zwischen der Physikdidaktik der Universität Göttingen, der Abteilung Computational Material Sciences/Engineering der TU Clausthal und dem Simulationswissenschaftlichen Zentrum Clausthal-Göttingen innovative Lehr-/Lernmaterialien zu verschiedenen Konzepten der Vektoranalysis entwickelt. Dies umfasst die Konzeption digital-gestützter Lernumgebungen sowie wissenschaftsnaher Anwendungsbeispiele unter Berücksichtigung vielseitiger didaktischer Ansätze, wie multiplen Repräsentationen, Zeichenaktivitäten, Simulationen und eye movement modelling examples (EMME). In fünf Lernmodulen werden diese als flexibel einsetzbare Open Educational Resources (OER) auf der Plattform ‚twillo‘ für Studierende und Lehrende physikalisch-technischer Studiengänge bereitgestellt.

Programmieren zur Lösungseingabe in Selbsttests

2023-05-08T10:00:41+02:00

Selbsttests in Lernmanagementsystemen (LMS) ermöglichen es Studierenden, den eigenen Lernfortschritt einzuschätzen. Im Gegensatz zur Einreichung und Korrektur vollständig ausformulierter Aufgabenlösungen nutzen LMS überwiegend die Eingabe der Lösung im Antwort-Auswahl-Verfahren (Single-Choice). Nach didaktischen Ansatz „Physik durch Informatik“ geben die Lernenden stattdessen ihre Aufgabenlösungen in einer Programmiersprache ins LMS ein, was eine automatisierte Rückmeldung erleichtert und das Erreichen einer höheren Kompetenzstufe fördert. Es wurden zehn LMS-Selbsttests erstellt, bei denen die Lösungen zu einer Lehrbuch-Aufgabenstellung jeweils durch Eingabe in einer Programmiersprache und von einer Kontrollgruppe im Antwort-Auswahl-Verfahren abgefragt wurden. Ergebnisse aus dem ersten Einsatz dieser Selbsttests für die Lehrveranstaltung Physik im Studiengang Biotechnologie werden vorgestellt.

Triangulation von Verbal- und Blickdaten

2023-06-19T09:31:20+02:00

Eye-Tracking erlangt in der physikdidaktischen Forschung immer mehr Bedeutung, da durch diese Methode Rückschlüsse auf kognitive Prozesse von Lernenden möglich sind. Studien weisen darauf hin, dass eine detaillierte Interpretation von Blickdaten jedoch nur mit weiteren qualitativen Datenquellen möglich sei. In der vorliegenden Eye-Tracking-Studie wurden 16 Studierende des ersten Semesters aufgefordert, Aufgaben zum Hertzsprung-Russell-Diagramm und zu Vektorfeldern zu lösen und auf drei unterschiedliche Arten ihren Bearbeitungsprozess zu verbalisieren. Im Retrospective Thinking Aloud (RTA) beschrieben sie ihren Bearbeitungsprozess, nachdem die Aufgabe gelöst wurde. Im Cued Retrospective Thinking Aloud (cRTA) erhielten die Studierenden ein Video ihrer eigenen Blickdaten, anhand dessen der Bearbeitungsprozess beschrieben werden sollte. Im Concurrent Thinking Aloud (CTA) sprachen sie ihre Gedanken während des Lösens der Aufgabe laut aus. Das Forschungsinteresse lag darin zu untersuchen, welchen Einfluss die Triangulation von Blick- und Verbaldaten durch RTA, cRTA und CTA auf die kognitive Belastung, das Blickverhalten und den Informationsgehalt der Erklärungen beim Problemlösen hat. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die kognitive Belastung beim CTA im Vergleich zum RTA und cRTA am höchsten wahrgenommen wurde. Ein konsistenter Einfluss der drei Verbaldatenmethoden auf die Blickdaten konnte weder bei den Aufgaben zum HRD noch zu Vektorfeldern festgestellt werden. Im Informationsgehalt der Erklärungen lassen sich signifikante Unterschiede offenlegen: Während beim cRTA besonders deskriptive Äußerungen zu Handlungsschritten im Problemlöseprozess geäußert wurden, konnten sich beim CTA und RTA vor allem Äußerungen zu physikalischen Interpretationen abbilden lassen.

Anwendungen der Interferometrie als interaktive Bildschirmexperimente

2023-05-23T13:39:28+02:00

Der Interferometrie kommt in Lehrplänen der gymnasialen Oberstufe eine bedeutsame Rolle zu, dennoch beschränken sich vor allem die experimentellen Möglichkeiten in Schulen oft auf einfache Experimente mit dem Michelson- und dem Mach-Zehnder-Interferometer. In diesem Beitrag werden Interferometrie-Experimente vorgestellt, die sich in Form von interaktiven Bildschirmexperimenten (IBE) in den Unterricht einbinden lassen. Bei den Experimenten handelt es sich um ein Analogieexperiment zur Gravitationswellendetektion, ein Experiment mit dem Sagnac-Interferometer zur Drehratenmessung und ein Experiment mit dem Michelson-Sterninterferometer zur Bestimmung des Winkeldurchmessers einer Sternattrappe. Die entwickelten IBEs wurden darüber hinaus einer Usability-Untersuchung mit Lehramtsstudierenden unterzogen, deren Ergebnisse ebenfalls vorgestellt werden.

Augmented Reality Experimente AR.X (download, print, cut, explore)

2023-05-31T22:38:52+02:00

„Augmented Reality” (erweiterte Realität, kurz AR) ermöglicht die Ergänzung einer realen Umgebung mit virtuellen Objekten, Einblendungen oder Erläuterungen. So ist eine Simulation von Experimenten in natürlicher Umgebung ohne Abstraktion auf schematische Darstellungen möglich, was die Schüler:innen den realen Ablauf des Experimentierens „begreifen” lasst. Die vorgestellten Anwendungen erfassen durch die Kamera eines mobilen Endgeräts reale Platzhalter in Form von speziellen QR-Code-Kärtchen, die durch AR Technik zu echten Experimentkomponenten erweitert werden und damit Experimentiergelegenheiten schaffen. Als aktuelles Themengebiet haben wir zunächst die Optik gewählt und möchten nachfolgend unser AR.X Konzept auf das Experimentieren mit Stromkreisen erweitern. Obwohl die Themenbereiche in der Schule prinizipiell im Realexperiment gut realisierbar sind, werden auch in diesem Bereich Experimente aus unterschiedlichen Gründen oftmals nicht oder nur sehr begrenzt von den Lernenden eigenständig durchgeführt. Zudem ist die Gestaltungsmöglichkeit der Platzierung der Experimente in der Unterrichtsreihe auf klassische, lineare Formate beschränkt. Durch die AR.X Umgebung können Unterrichtsinhalte sowohl in synchronen als auch asynchronen Unterrichtsformaten sowie losgelöst vom schulischen Geschehen realisiert werden. Für die Nutzung der Anwendung wird lediglich ein kompatibles Endgerät (Android bzw. iOS/iPadOS), sowie die ausgedruckten (kostenlosen) Targets benötigt.

Das Projekt PUMA (Physik Unterricht Mit Augmentierung)

2023-05-31T15:43:36+02:00

Durch Augmented Reality (AR) können Realobjekte mit zusätzlichen digitalen Informationen überlagert werden, was neue Arten des Lernens ermöglicht. Internationale Studien beschreiben verschiedene Vorteile von AR-gestützten Lernumgebungen. Die professionelle Entwicklung und Evaluation von AR-Applikationen für den physikalischen Schulunterricht ist daher das Ziel des Projekts PUMA (Physik-Unterricht Mit Augmentierung). Unter diesem Projektdach werden in kleinen Teams (u. a. im Rahmen von Dissertationsvorhaben) Applikationen für die Vermittlung ausgewählter physikalischer Themen der Sekundarstufe 1 konzipiert und realisiert.

„PUMA : Magnetlabor“ dient als Grundlage für ein Lehr-Lern-Labor zum Themengebiet des (Elektro‑)Magnetismus und erweitert die Realexperimente u. a. mit unsichtbaren Feldlinien.

„PUMA : Spannungslabor“ thematisiert einfache elektrische Stromkreise sowie grundlegende elektrische Konzepte und visualisiert gängige Analogiemodelle.

„PUMA : Optiklabor“ wird als WebAR-Anwendung zur Simulation von Optik-Versuchen entwickelt.

Digitale Messwerterfassung mit Mikrocontrollern

2023-05-31T23:08:31+02:00

Um Messwerte digital im naturwissenschaftlichen Unterricht zu erfassen, stehen Lehrkräften unterschiedliche Optionen zur Verfügung. Neben klassischen Stand-alone-Messgeräten kann auf Messwerterfassungssysteme von Lehrmittelherstellern, mobile Endgeräte oder Mikrocontroller-Boards zurückgegriffen werden. Moderne Mikrocontroller weisen dabei eine große Leistungsfähigkeit bei geringen Kosten und hoher Flexibilität auf. Die reine Erfassung von Messdaten ist für unterrichtliche Zwecke allerdings nicht ausreichend: Vielmehr müssen schülergerechte Abläufe gestaltet werden, die insbesondere den Datentransfer vom Mikrocontroller zu Endgeräten wie PCs, Smartphones oder Tablets sowie grafische Nutzeroberflächen und Möglichkeiten der Datenaus-wertung miteinschließen. Dies wird durch moderne Schnittstellen wie Microsoft Datastreamer, die phyphox Arduino BLE-Bibliothek oder MIT App Inventor ermöglicht, die die Gestaltung robuster und hochwertiger Experimentierumgebungen erlauben.

Entwicklung eines 360° Serious Games zu Tätigkeiten von Forschenden in der Physik

2023-05-31T19:24:50+02:00

Schüler_innen haben oft ein stark verkürztes Bild der Arbeitsweisen von Naturwissenschaftler_innen, was zu naiven, stereotypischen Vorstellungen über dieses Berufsfeld führen kann. Besonders die theoretische Physik spielt dabei eine stark untergeordnete Rolle. Diese unvollständigen Vorstellungen über den physikalischen Forschungsalltag können dazu führen, dass Entscheidungen hinsichtlich der späteren Berufswahl basierend auf falschen Annahmen getroffen werden. Um Schüler_innen eine reflektierte Berufsorientierung im MINT-Bereich zu ermöglichen bedarf es daher der Erfassung und Vermittlung eines möglichst vollständigen Tätigkeitsspektrums von Naturwissenschaftler_innen (Wentorf et al., 2015).

Vor diesem Hintergrund wurden in einem aktuellen Projekt die Tätigkeiten von Forschenden in einem Sonderforschungsbereich der Kern- und Astrophysik mittels Interview- und Fragebogenstudie differenziert erfasst. Auf dieser Grundlage wurde anschließend ein Serious Game entwickelt und erprobt, welches die verschiedenen Facetten der Arbeitsweisen von Forschenden aus der experimentellen sowie der theoretischen Physik in einer authentischen 360°-Umgebung adressatengerecht darstellt.

Graphische und interaktive Aufgaben für Kenntnistests Physik

2023-05-31T15:51:50+02:00

Physik wird von Lernenden oft auf das Anwenden von Formeln reduziert, ohne ein tieferes Verständnis für Zusammenhänge zu entwickeln. Lernende scheitern daher häufig an unbekannten oder komplexen Problemstellungen. Es wurden Tests zum generellen physikalischen Vorgehen („Methoden“) sowie zu spezifischen Inhalten („Elektrische Felder“) konzipiert, die methodische Fertigkeiten, Fachwissen und dessen Verständnis, sowie Problemlösekompetenz systematisch erfassen. Dabei stand die Entwicklung interaktiver und graphischer Aufgaben im Fokus. Die optisch ansprechenden Aufgaben wurden mit dem Moodle-Plugin Stack mit JSX-Graph umgesetzt. Auf Grundlage hinterlegter Kompetenzraster wird ein gezieltes Feedback gegeben. Die Analyse der Lösungen hinsichtlich dieser Kompetenzen ermöglicht ein individuelles Feedback, das explizit Stärken bzw. Defizite rückmeldet. Die Tests erfüllen somit eine mehrfache Funktion: (1) Erfassung des Leistungsniveaus, (2) individuelles Feedback als Handlungsvorschlag, (3) detaillierte Rückmeldung an die Lehrperson, (4) Lernaufgabe durch integrierte Hilfestellungen.

phyphox: Exploration neuer Experimentierideen anhand der länderspezifischen Kernlehrpläne an deutschen Schulen

2023-06-15T09:04:33+02:00

Die Smartphone-App phyphox nutzt wahlweise interne Sensoren oder externe Sensorik via Bluetooth Low Energy und stellt die Messdaten live dar. Mit Hilfe interaktiver Auswertungswerkzeuge lassen sich so viele interessante und didaktisch gewinnbringende Experimente unter anderem für die schulische Lehre verwirklichen. Neben thematisch erweiterten Experimentiermöglichkeiten bieten smartphone-gestützte Experimente eine moderne und schülerzugewandte Möglichkeit der digitalen Messwerterfassung. Damit gelingt unabhängig von der technischen Ausstattung der Schulen die Einbindung digitaler Messwerterfassung in Bildungskontexten des Physikunterrichts, wie sie inzwischen in Vereinbarungen der Kultusministerkonferenz und in bundeslandspezifischen Lehrplänen (wie den Kernlehrplänen in Nordrhein-Westfalen) vorgesehen ist. Auf Grundlage einer gründlichen Auseinandersetzung mit den Lehrplänen ausgewählter Bundesländer sind deshalb Experimentierideen entwickelt und systematisiert worden, die sich unter Einbindung der App phyphox sowie externer Messsensorik durchführen lassen.

Physik mit GeoGebra

2023-05-20T18:03:13+02:00

Die im Mathematikunterricht verbreitete Geometrie-Software GeoGebra kann auch zur Modellierung in der Physik verwendet werden. Besonders geeignet sind statische Sachverhalte wie etwa aus der geometrischen Optik und der Elektrostatik. Im Beitrag wird jedoch auch gezeigt, wie sich dynamische Probleme beschreiben lassen, was mit einem erhöhten Aufwand verbunden ist, jedoch eine Erweiterung darstellt im Vergleich zu Inhalten, die üblicherweise im Physikunterricht thematisiert werden können. Der Einsatz der Modelle wurde in verschiedenen unterrichtlichen Situationen empirisch überprüft.

PUMA : Magnetlabor * Ein AR-Lehr-Lern-Labor zum Themengebiet (Elektro-) Magnetismus in der Sekundarstufe I

2023-05-31T13:42:20+02:00

Die Sekundarstufe I bietet zum Thema der Elektrizitätslehre viele Experimente zur Anwendung einer augmentierten Lernumgebung. Die in dem Projekt PhysikUnterricht mit Augmentierung (PUMA) entwickelte Applikation PUMA : Magnetlabor soll hauptsächlich die Modelle der magnetischen Felder sichtbar machen. Die Applikation ermöglicht einen Einblick in die Materie und macht das Unsichtbare sichtbar, indem sie die Realexperimente mit digitalen Inhalten überlagert. In diesem Artikel wird zunächst die Frage geklärt, warum sich Augmented Reality (AR) zum Thema Magnetismus anbietet. Daraufhin wird die freiverfügbare Applikation und deren Einbindung in ein Lehr-Lern-Labor vorgestellt. Dabei werden beispielhaft einzelne Stationen der Lernumgebung thematisiert, welche auf Grundlage eines Schülerexperimentiersatzes konzipiert wurden. Eine Herausforderung stellt u.a. die richtige Gestaltung von Aufgaben zur förderlichen Anwendung von AR dar.

PUMA : Optiklabor - Optimierungsbedarf in der Optiklehre, Lösungsansätze via WebAR & ein erstes Studiendesign auf der Grundlage von Design-Based Research

2023-05-31T22:53:34+02:00

Die Optiklehre der Sekundarstufe I sieht sich stets mit Schüler(fehl)vorstellungen konfrontiert, die sich aus den Alltagserfahrungen heraus gebildet haben und hartnäckig halten. Zudem müssen die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit Modellvorstellungen wie beispielsweise zur Zusammensetzung des Lichts oder der Bildentstehung an Spiegeln und Linsen lernen. Diesen erhöhten Abstraktionsgrad leichter zugänglich, ja sogar die Experimente im heimischen Umfeld haptisch begreifbar zu machen, sind Ziele der webbasierten Augmented Reality Simulation "PUMA : Optiklabor". Das Projekt PUMA (Physik-Unterricht mit Augmentierung) des Lehrstuhls für Physik und ihre Didaktik der Universität Würzburg widmet sich den Chancen des sinnvollen Einsatzes von eigens entwickelten Augmented Reality Applikationen im Physikunterricht. Der Beitrag erörtert Problemfelder der Optiklehre und gibt erste Anwendungsbeispiele für den Einsatz einer AR-Simulation. Aus den identifizierten Problemen wird ein Set von AR-gestützten Experimenten entwickelt, das nach dem Prinzip von Design-Based Research in mehreren Schritten evaluiert und optimiert wird. Im Laufe der Iterationen wird der Teilnehmerkreis von Experteninterviews mit Lehrkräften bis hin zu einer größeren Zahl von Schülerinnen und Schülern erweitert.

Schülerlaborstudie zum Einsatz von Augmented Reality in der Elektrizitätslehre

2023-05-31T17:09:51+02:00

Mit Hilfe von Augmented-Reality (AR)-Apps können virtuelle Objekte und Texte in Echtzeit in die reale Welt (z.B. auch bei physikalischen Experimenten) eingefügt werden. Es wurden zwei Einsatzmöglichkeiten von AR für die schulische E-Lehre identifiziert: die Darstellung von didaktischen Analogiemodellen und die Messung physikalischer Größen. Im Projekt PUMA (Physik-Unterricht Mit Augmentierung) wurde ausgehend davon die App „PUMA : Spannungslabor" entwickelt.

Die Lernförderlichkeit der App wurde im Rahmen einer Schülerlaborstudie evaluiert. Nach Abschluss des Elektrizitätslehre-Anfangsunterrichts erarbeiten die Lernenden dort innerhalb eines Projekttages die Kerninhalte der Elektrizitätslehre mit Bezugnahme auf didaktische Analogiemodelle erneut. Der Lernzuwachs wurde im Prä-/Post-Test-Design erfragt, mit zusätzlicher Erhebung der kognitiven Last, des räumlichen Vorstellungsvermögens und der Technikaffinität. Die Darstellung der didaktischen Modelle durch AR wurde dabei verglichen mit der Darstellung per Simulation oder per Infografiken, die Messung von physikalischen Größen per AR mit der Messung mittels Multimetern. Eine erste Auswertung der in der Studie erhobenen Daten zur Bearbeitungszeit zeigt eine deutliche Reduktion derselben durch den Einsatz von AR zur Messung bei physikalischen Experimenten.

Viana 2 – eine App zur Videoanalyse im Physikunterricht

2023-06-26T18:37:29+02:00

Für den naturwissenschaftlichen Unterricht bieten mobile Endgeräte, Computer und digitale Videotechnik eine sehr gute Alternative zu den klassischen Verfahren der Erfassung und Analyse von Bewegungsdaten. Die (computergestützte) Videoanalyse wird daher im Physikunterricht inzwischen vielfach eingesetzt. Dabei wird ein realer Bewegungsvorgang z. B. per Smartphone- oder Tablet-Kamera zunächst aufgezeichnet. Der digitale Videoclip der Bewegung besteht aus einer Reihe von Einzelbildern, über die sich die Bewegung eines Objektes dann verfolgen lässt – manuell ‚per Hand’ (mit Finger oder Eingabestift) oder auch automatisiert.

In den letzten Jahrzehnten wurden viele Videoanalysesysteme vorgestellt. Neben den kommerziellen Lösungen existieren weiterhin auch Freewarelösungen wie z. B. ‚Viana‘ (seit ca. 25 Jahren!).

Viana wurde in den letzten Jahren als App für den Einsatz auf mobilen Endgeräten (iPads) stetig weiterentwickelt und bietet auch die Möglichkeit einer automatischen Objekterkennung. Die Entwicklung der Software, Einsatzbeispiele und aktuelle technische Neuerungen werden vorgestellt.

Virtual-Reality-Experimente: Neueste Entwicklungen - Atomphysik

2023-05-31T21:20:29+02:00

Virtual-Reality-Experimente (VRE) stellen realistische 3D-Simulationen naturwissenschaftlicher Versuche dar. Innerhalb einer realitätsnah modellierten und damit authentischen digitalen Laborumgebung kann mit den Experimenten und den zur Verfügung stehenden Geräten frei und selbstgesteuert experimentiert werden. Dabei werden diejenigen Versuche umgesetzt, deren Beschaffung für die Schule nicht realisierbar ist oder von denen zu hohe Gefahrenpotentiale bei Schülerexperimenten ausgehen. VRE ermöglichen durch ihre digitale Verfügbarkeit neue Partizipationsmöglichkeiten auf Seiten der Schüler:innen, die sonst nicht oder nur sehr erschwert realisierbar sind. Vorgestellt werden die neu entwickelten Experimente der Braunschen Röhre zur Untersuchung bewegter Ladungen in elektrischen Feldern sowie das VRE zum Franck-Hertz-Experiment zur Untersuchung der Energiequantelung als entscheidendem Aspekt der Quantenmechanik. Die Experimente stellen wesentliche Bausteine der Atom- und Quantenphysik dar und bieten essenzielle Lerngelegenheiten in diesem Themengebiet. Als Ausblick wird der Lernbegleiter „Atomi” konzeptionell eingeführt und vorgestellt.

Virtual-Reality-Experimente: Neueste Entwicklungen – Radioaktivität und Elektromagnetismus

2023-05-31T20:52:52+02:00

Virtual-Reality-Experimente sind anspruchsvolle Simulationen von typischen Schulexperimenten in einer dreidimensionalen Umgebung, mit weitreichenden didaktischen sowie Interaktionsmöglichkeiten. Sie können auf diversen Unterrichtsmedien überall dort eingesetzt werden, wo reale Schulexperimente nicht (mehr) verfügbar sind oder sich durch die Simulation weitere Vorteile ergeben. Der Beitrag stellt die konzeptionellen Grundlagen und die Entwicklung des Konzepts Virtual-Reality-Experimente als Design-Based-Research-Projekt vor, das an zwei Praxisproblemen des Physikunterrichts ansetzt. Weiterhin wird das Portfolio der verfügbaren Versuche vorgestellt, mit einem Fokus auf die neuesten Entwicklungen zu zwei zentralen Themengebieten des Physikunterrichts, nämlich Radioaktivität und Elektromagnetismus. Dabei werden Virtual-Reality-Experimente zum Cäsium-Barium-Isotopengenerator, zum Abstandsgesetz radioaktiver Strahlung und zum Hall-Effekt präsentiert.

Interessenförderung zur Quantenphysik in einem Nebenfachpraktikum Physik

2023-06-12T18:11:30+02:00

Das Inhaltsfeld der Quantentechnologie wird in den nächsten Jahrzehnten zentraler Bestandteil physikalischer Forschung weltweit sowie in Deutschland sein und damit auch in den Fokus der Nachwuchsförderung rücken. Vor diesem Hintergrund entwickelt das Schülerlabor Physik der RWTH Aachen SCIphyLAB gemeinsam mit dem Exzellenzcluster ML4Q (Matter and Light for Quantum Computing) Versuche zu grundlegenden quantenphysikalischen Phänomenen und bereitet diese so auf, dass sie sowohl von Schüler:innen als auch von Studierenden verschiedener nicht-physikalischer Studiengänge bearbeitet werden können. In den physikalischen Nebenfachpraktika können interessierte Studierende der Chemie, der Informatik und der Materialwissenschaften die entwickelten Versuche im Rahmen eines individuellen Förderangebots durchführen und ergänzend Forschungslabore zu dem Thema besuchen. Ziel ist es, das Interesse der Studierenden am Thema Quantentechnologien als zukunftsträchtigem interdisziplinären Forschungsfeld zu wecken. Der Beitrag stellt neben dem Grundkonzept des Angebots auch Ergebnisse aus den ersten drei Durchläufen vor.

Kompetenzlevel für das European Competence Framework for Quantum Technologies

2023-05-31T09:54:51+02:00

Mit der Entwicklung moderner Quantentechnologien zur Industriereife ergibt sich ein neuer Bedarf an Fachkräften, die beispielsweise Quantensensoren bedienen oder Quantenalgorithmen an bestimmte Anwendungsfälle anpassen können. Im europäischen Quantum Flagship Koordinierungsprojekt QUCATS wird die Aus- und Weiterbildung von Fachkräften im Bereich der Quantentechnologien vorangetrieben. Dabei bietet das European Competence Framework for Quantum Technologies eine gemeinsame „Sprache“, eine Orientierungshilfe für die Planung und den Vergleich von Bildungsangeboten. Thematisiert wird das Feedback zu Version 1.0 und die Weiterentwicklung zu Version 2.0 des Frameworks, konkret die Ergänzung von Beschreibungen der Proficiency Levels, und weitere Aktivitäten im Projekt QUCATS, insbesondere Competence Types als Grundlage für Interviews zu Industriebedarfen und der Ausblick auf ein europäisches Zertifizierungsschema.

Modulare Low-Cost Experimente zur Wellen- und Quantenoptik

2023-05-02T15:06:21+02:00

In der Physikunterricht der Sekundarstufe II zeichnet sich ein Mangel an Experimenten ab, die von Lernenden durchgeführt werden können. In diesem Beitrag wird günstiges modulares Experimentiermaterial zur Wellen- und Quantenoptik vorgestellt, dass nach didaktischen Kriterien für den Einsatz als Schülerexperiment entwickelt wurde. Mit dem Material lassen sich das Michelson Interferometer, das Mach-Zehnder Interferometer sowie ein Modell des Quantenradierers aufbauen und weitere Experimente zu Polarisation durchführen.

Im Beitrag werden neben den Experimenten auch Arbeitsmaterialien vorgestellt, die zu den Experimenten erstellt wurden, und erste Tests des Materials und der Arbeitsmaterialien im Schulkontext beschrieben. Außerdem werden weitere Schritte zur Verbreitung, Implementation und Beforschung skizziert.

Quantenphysik in Klasse 9: Ergebnisse einer Akzeptanzbefragung für ein Spin-First-Unterrichtskonzept

2023-05-31T17:13:30+02:00

Quantenphysik gilt als eines der herausforderndsten Themen bei der Vermittlung von Physik und ist gleichzeitig von herausragender Bedeutung bei künftigen technologischen Entwicklungen. Mit Blick auf den wachsenden Stellenwert der Quantenphysik innerhalb der schulischen Bildung wurde im Rahmen eines Design-Based-Research-Projektes ein Lehrkonzept entwickelt, das einen qualitativen und anknüpfungsfähigen Zugang zur Quantenphysik bereits in Klassenstufe 9 ermöglichen soll. Die Lerninhalte bauen dabei auf dem Elektronenspin als exemplarisches Zweizustandssystem auf.

Mit dem Ziel einer ersten formativen Evaluierung wurden Akzeptanzbefragungen durchgeführt, um die Vermittlungsstrategie zu überprüfen und vor einer ersten Erprobung mit Schulklassen anzupassen. Die Interviews konnten zeigen, dass mit dem Ansatz die intendierten Inhalte überwiegend erfolgreich vermittelt werden können und dass ein weiterer Einsatz des Konzeptes im Rahmen von Feldstudien legitim erscheint. Außerdem gaben sie Hinweise und Impulse für erste Anpassungen am Konzept.

Quantenphysik zum Anfassen – Von Papierstreifen zu Reißverschlüssen

2023-05-31T14:19:09+02:00

Quantenphysikalische Modellierungen sind fachlich komplex und oft unanschaulich. Dieser Artikel stellt einige Ansätze vor, wie quantenphysikalische Ideen dennoch mittels haptischer Modelle dargestellt werden können. Dazu werden Modelle aus dem 3D-Drucker, Modelle aus Papierstreifen und Modelle aus Stoff gegenübergestellt. Neu ist insbesondere die Verwendung von Reißverschlüssen statt Papierstreifen, sodass ein einfaches „Aufschneiden“ und „Zusammenkleben“ möglich wird. Die Modelle sind dabei vor allem mit dem Ziel entwickelt worden, unter Verwendung von wenig mathematischem Grundwissen topologische Ideen zu transportieren und zu visualisieren.

Students Derive an Exact Solution of the Flatness Problem

2023-05-30T22:46:46+02:00

In everyday life, time and space are essential. Moreover, space and time are fundamental concepts
of physics. For it, Newton made a first proposal with flat space and time evolving at a constant rate
as a basis. Einstein improved it with relativistic and curved spacetime. Accordingly to its relevance
in everyday life and in physics, students are interested in the topic. Here, I present a learning process,
by which learners can achieve the essential insights of special relativity and general relativity in an
exact manner. Thereby, students experience basic principles directly at a free fall tower and by taking photographs in a school observatory. Using these basic principles, they achieve inspiring and
exact results on their own, after an appropriate instruction. I present the learning process and a didactic analysis, so that you can directly use the concept for teaching. I tested the learning process in
various learning groups, and I report about experiences.

Students discover the Schwarzschild metric at a free fall tower

2023-05-30T22:42:06+02:00

In everyday life, time and space are essential. Moreover, space and time are fundamental concepts
of physics. Indeed, Newton proposed flat space and time evolving at a constant rate as a basis. Accordingly to its relevance in everyday life and in physics, students are interested in the topic. Here,
I present a learning process, by which learners can achieve the essential insights of special relativity
and general relativity in an exact manner. Thereby, students experience basic principles directly at
a free fall tower and by taking photographs in a school observatory. Using these basic principles,
they achieve inspiring and exact results on their own, after an appropriate instruction. I present the
learning process and a didactic analysis, so that you can directly use the concept for teaching. I tested
the learning process in various learning groups, and I report about experiences.

Students Exactly Derive Quantization and its Universality

2023-05-30T22:05:38+02:00

The development of renewable energy is essential for the future of our economy, society and climate. Hereby, photovoltaic has an enormous potential. Is it possible to improve its efficiency? In order to find an answer, students make a model experiment with light absorbed by LEDs. Thereby, they discover the Planck constant. With it, they propose multi junction photovoltaic cells providing a significantly increased efficiency. Moreover, students find the same Planck constant in a diffraction experiment with electrons. Apparently, the Planck constant is a universal constant. Why is the Planck constant universal? In order to find an answer, students use the concepts of classical light waves and relativity. Thereby, they derive the fact of quantization as well as the universality of the quantization constant. Here, I present a learning process, by which learners can achieve essential insights about photovoltaics and quantum physics in an exact manner. Thereby, students find essential questions directly by experiments. Using basic principles of physics, they achieve inspiring and exact results on their own, after an appropriate instruction. I present the learning process and a didactic analysis, so that you can directly use the concept for teaching. I tested the learning process in various learning groups, and I report about experiences.

Wie sieht eigentlich das Sonnensystem aus?

2023-05-31T18:42:44+02:00

Astronomie ist seit jeher ein interessantes Thema für Lernende. Doch nicht nur die Wissenschaft, sondern auch die Medien bieten eine Vielzahl von Darstellungen astronomischer Objekte. Durch die Medien werden diese oft aus dem Kontext gerissen, wodurch im Inhaltsfeld Astronomie in weiterführenden Schulen interessant wird, welche Vorstellungen und mentalen Modelle die Lernenden zu astronomischen Objekten im Sonnensystem aufgebaut haben. Um einen Einblick in die mentalen Modelle zur Darstellung unseres Sonnensystems zu erhalten, wurde in der hier vorgestellten Studie eine qualitative Erhebung von gezeichneten Darstellungen unseres Sonnensystems von verschiedenen Zielgruppen gesammelt und analysiert. Zusätzlich wurden zur Reflexion anregende Fragen gestellt, die mögliche Lücken bei der zeichnerischen Darstellung aufgreifen.

Programme und Abstracs

2023-11-14T16:46:35+01:00

Programme und Abstracts

Tagungsband 2023-PDF [39 MB]

2023-11-28T13:51:29+01:00