PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung
Startseite: https://ojs.dpg-physik.de/index.php/phydid-b/Start Vorlagendatei: https://www.dpg-physik.de/vereinigungen/fachlich/ohne-sektion/fvdd/phydidb/einreichungsvorlage_phydid_b.dotx PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung ist eine leicht referierte Internetzeitschrift (ISSN 2191-379X). Sie beinhaltet Tagungsbeiträge der Frühjahrstagung des Fachverbands Didaktik der Physik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) und erscheint jährlich in Form einer Ausgabe. Über die Deutsche Nationalbibliothek (DNB) ist die Zeitschift ebenfalls abrufbar: https://www.dnb.de/DE/Home/home_node.html bzw. https://d-nb.info/1008913529 Die in PhyDid B publizierten Artikel sind wie jede andere Publikation zitierbar. PhyDid B umfasst die Hauptvorträge, sowie Beiträge aus den Rubriken Anregungen aus dem Unterricht für den Unterricht, Astronomie, Grundschule, Hochschuldidaktik, Lehreraus- und Lehrerfortbildung, Lehr- und Lernforschung, Neue Konzepte, Neue Versuche und Praktika, Neue Medien, Quantenphysik, Studienreform-Forum Physik und Weitere Themen. Es können Beiträge mit Zusatzmaterial wie multimedialen Elementen oder Poster der Postersitzung eingereicht werden. Poster ohne Beitrag werden nicht veröffentlicht. Die Beiträge dürfen untereinander nicht verlinkt sein. Ein Anspruch auf Veröffentlichung besteht nicht. Gemäß Beschluss des Fachverbandes Didaktik der Physik ist PhyDid-B ein zurückhaltend ‚referiertes’ Journal – in dem Sinne, dass Beiträge vor einer Veröffentlichung dann begutachtet werden, wenn ein Bezug zur Physikdidaktik seitens der Redaktion nicht direkt erkennbar ist.
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Entwicklung von Lernzirkelstationen zur Variablenkontrollstrategie mit geringem Materialaufwand
Eine zentrale Fähigkeit beim Experimentieren ist die Variablenkontrollstrategie (VKS), die die vier Teilfähigkeiten zur Interpretation, Identifikation und Planung kontrollierter Experimente sowie das Verständnis über die fehlende Aussagekraft konfundierter Experimente umfasst. Auf Basis der Plattform FLexKom (vgl. Goertz, 2022) wurden Lernzirkelstationen mit einem geringen Materialaufwand entwickelt, welche Haushaltsgegenstände als Experimentiermaterialien nutzen. So soll ein einfacherer Zugang zu Experimenten zur Förderung der VKS geschaffen werden. Es wurden drei Stationen für Schüler*innen der Mittelstufe konzipiert, die verschiedene Gebiete der Mechanik behandeln. Eine Station untersucht die Flugweite von Papierfliegern anhand des Abwurfwinkels und der Papierstärke. In der zweiten Station wird die Aufprallhöhe eines Tennisballs nach dem ersten Aufprall unter Berücksichtigung des Innendrucks sowie der Fallhöhe des Balls erkundet. Diese Station lässt sich in zwei Varianten (analoge Zeitmessung und vereinfachte Videoanalyse) durchführen. Als dritte Station wird die Falldauer von selbstgebauten Fallschirmen in Abhängigkeit des Materials und der Größe des Fallschirms betrachtet. Für jede Station sind vier verschiedene Arbeitsblätter zur Förderung von je einer der vier VKS-Teilfähigkeiten entwickelt worden. In diesem Beitrag wird ein Einblick in die Lernzirkelstationen gegeben und eine erste Erprobung der Handhabung der Experimente im Zuge eines Ferienprogramms mit N=19 Schüler*innen vorgestellt.
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Praxiserfahrung mit Versuchsaufbauten zur Quantenoptik und Konzeption einer didaktisch reduzierten Versuchsanleitung
Mit der stetig anwachsenden Relevanz der Quantenphysik für die moderne Technologiegesellschaft zeichnet sich auch deutlich der Auftrag an die Schulen und Hochschulen ab, diesem Feld der Physik eine zunehmende Bedeutung einzuräumen. Gerade experimentelle Zugänge zur Quantenphysik gilt es fortschreitend auszubauen, um Lernenden einen praktischen Zugang zu grundlegenden Konzepten zu eröffnen. Mit dem Quantum Optics Educational Kit der Firma Thorlabs® wird ein solcher Zugang zur Quantenoptik als einem von hoher Aktualität geprägten Forschungsfeld der Quantenphysik eröffnet. Mit der Zielsetzung, auf Grundlage des Benutzerhandbuchs zum Kit eine didaktisch reduzierte Versuchsanleitung zu konzipieren, wurden zunächst erste Praxiserfahrungen mit den Versuchsaufbauten gesammelt. In einem weiteren Schritt wurden dann die theoretischen Grundlagen elementar reduziert und Videoanleitungen zu zentralen Schritten der Montage beziehungsweise Justage erstellt. Durch gezielte Adaption der vorgesehenen Versuchsanordnung kann in der konzipierten Anleitung der Ausgangsaufbau und folglich das Anforderungsniveau variiert werden.
Zahllose didaktische Verbesserungsideen und dennoch bleibt alles beim Alten?
Dieser Beitrag untersucht den Zusammenhang zwischen Studienregularien und Lehrveranstaltungsmodalitäten am Beispiel von (Vorrechen-)Übungen in physikalischen Studiengängen. Es werden die Resultate von zwei Workshops sowie einem Call for Papers vorgestellt und systematisch interpretiert. Dabei wird zuerst aufgezeigt, welche Probleme das Format der Vorrechen-Übung mit sich bringt. Anschließend werden die Struktur und die Ergebnisse des Workshops und der Beiträge vorgestellt. Anhand der Ergebnisse werden Lösungsvorschläge für Probleme aktueller Lehrveranstaltungsformate entwickelt und diskutiert. Der Beitrag schließt damit ab, welche Konsequenzen daraus für Studienreformen folgen und inwiefern ein Kulturwandel in der Vermittlung von didaktischen Konzepten für Fachphysiker:innen erfolgen muss. Kernaspekte des Beitrags umfassen Ideen dazu, wie der Anteil an echter Lernzeit erhöht werden kann, indem Prüfungs- und Lernsituationen voneinander getrennt und Kontrollen reduziert werden. Zudem wird thematisiert, wie Feedbackschleifen sinnvoll in die universitäre Lehre eingebunden werden können. Abschließend werden Anschlusspunkte für weitere Forschung und folgende Wissenschaftskommunikation gegeben.
Ergebnisse aktueller Studien (ICILS, 2023) zeigen bei deutschen Schüler:innen einen signifikanten Rückgang computer- und informationsbezogener Kompetenzen wie die Suche nach Informationen und ihre sichere Bewertung, die für den Umgang mit der Informationsflut und Fehlinformationen im Internet notwendig sind. Das Dutch Media Competency Model des Netzwerk Mediawijsheid (2021) identifiziert und verknüpft zentrale Kompetenzen für einen effektiveren Medienumgang. Der Förderung dieser Kompetenzen im Physikunterricht widmet sich die Unterrichtsmethode des Artikel-Memorys. Die Lernenden setzen sich dabei selbstständig mit realen Artikeln zum Klimawandel auseinander. Über eine Konfrontation mit glaubwürdigen und unglaubwürdigen Inhalten werden sie für Fehlinformationen sensibilisiert. Auf dieser Grundlage identifizieren die Lernenden Kriterien, die eine Einschätzung der Glaubwürdigkeit ermöglichen, die dann in existierende Modelle zur Bewertung von Informationen eingebunden werden.
Binnendifferenziertes Experimentieren zur Förderung der Variablenkontrollstrategie im Unterricht
Der Beitrag fokussiert auf das Experimentieren unter Anwendung der Variablenkontrollstrategie (VKS) mit einem expliziten binnendifferenzierten Förderansatz. Als unterrichtstauglicher Ansatz berücksichtigt er das Vorwissen der Lernenden als Ausgangslage und baut darauf Lerngelegenheiten auf. Die theoretische Basis bilden die vier aus der Literatur bekannten VKS-Teilfähigkeiten zur Interpretation (IN), Identifikation (ID) und Planung (PL) kontrollierter Experimente sowie das Verständnis der fehlenden Aussagekraft konfundierter Experimente (UN). Mithilfe teilfähigkeitsspezifischer Arbeitsblattvorlagen werden Experimente zur VKS implementiert, sodass zu jedem Experiment vier Arbeitsblattversionen mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad erzeugt werden können. Damit wurden zwei Lernzirkel mit fünf gleichen experimentellen Aufbauten, aber verschiedenen Anleitungen zusammengestellt. Ein Lernzirkel adressiert vorwiegend die einfachen Teilfähigkeiten (2xIN, 2xID, 1xPL) und ein anderer ausschließlich die schweren Teilfähigkeiten (3xPL, 2xUN). In einer ersten Studie (N = 87) in drei gymnasialen 7. Klassen wurden die Schüler:innen gemäß ihrer Pre-Test-Ergebnisse in leistungshomogene Kleingruppen von 2-3 Schüler:innen eingeteilt und durchliefen in diesen eine Intervention aus einer Einführung, der Lernzirkeldurchführung sowie einer Sicherungsphase und absolvierten zum Abschluss den Post-Test. Die Ergebnisse dieser Erhebung werden in diesem Beitrag vorgestellt.
Blickwinkel von Lehrkräften auf außerschulische Angebote zur MINT-Interessenförderung
Im Projekt Labs on Tour werden MINT-Angebote der Universität an Schulen gebracht, um Jugendliche niederschwellig für MINT-Themen zu begeistern und Hemmschwellen zu senken. Dafür werden Materialien von Schülerlaboren mobil gemacht und in vierwöchigen Kursen mit je 90-minütigen Einheiten nachmittags an den Schulen in dafür angelegten MINT-AGs durchgeführt. Eine MINT-AG läuft über ein Halbjahr und umfasst drei unterschiedliche Kurse. Die Schüler:innen haben somit die Möglichkeit, verschiedene MINT-Bereiche kennenzulernen und sich dort auszuprobieren. Betreut werden die Kurse von studentischen Hilfskräften (SHK). Lehrkräfte der Schulen sind insofern involviert, als sie für die Werbung der teilnehmenden Schüler:innen und die Anmeldungen in der Schule sowie für die Aufsicht während der AG zuständig sind. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden mit Lehrkräften, welche eine AG betreut haben, Interviews geführt und ausgewertet. Diese beleuchten die Meinungen der Lehrkräfte zum Ablauf der AG sowie ihren Blickwinkel auf geeignete Themen und wichtige, allgemeingültige Merkmale für erfolgreiche außerschulische Angebote zur MINT-Interessenförderung. Der Beitrag präsentiert erste Ergebnisse der Interviewstudie.
Educative Curriculum Materials zum Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt bietet eine gute Möglichkeit, auch im Physikunterricht Klimabildung zu betreiben. In ihrem Promotionsprojekt hat Sarah Wildbichler deswegen ein Konzept zum Treibhauseffekt für den Physikunterricht entworfen, das explizit Lernendenvorstellungen berücksichtigt. Bisher wurde dieses Konzept im Lernendenlabor der Universität Innsbruck durchgeführt und evaluiert. Damit dieses Material auch im Regelunterricht eingesetzt und evaluiert werden kann, muss es jedoch angepasst werden. Zusätzlich muss geprüft werden, welche Unterstützung Lehrkräfte für die Integration benötigen. Eine Möglichkeit nicht nur das Material in den Unterricht zu bringen, sondern gleichzeitig auch Lehrkräften Hilfestellungen beim Unterrichten des Treibhauseffekt zu bieten, stellen Educative Curriculum Materials dar. Diese umfassen nicht nur Materialien für Lernende, sondern auch Hintergrundinformationen für Lehrende zu beispielsweise fachlichen oder didaktischen Grundlagen. Der Beitrag beschreibt zunächst das ursprüngliche Material und typische Lernendenvorstellungen über den Treibhauseffekt und stellt anschließend das abgewandelte Material für die Lehrkräfte an einigen Beispielen vor.
Implementation modularer Smartphone-Experimente im Physikunterricht
Viele Lehrkräfte verfolgen bei der Implementation von Unterrichtsinnovationen an Schulen eine steinbruchartige und pragmatische Nutzung von zur Verfügung gestellten Unterrichtsmaterialien. Mit einem alternativen Implementationsansatz wird dem Rechnung getragen, um so die Akzeptanz für Innovationen nachhaltig zu erhöhen. Dies wird am Beispiel der kostenfreien App phyphox für den Physikunterricht der Sekundarstufe I umgesetzt, die den Einsatz von Smartphones und Tablets als mobile Messinstrumente ermöglicht. Zur breiten Implementation von Smartphone-Experimenten im schulischen Kontext wurden ein Unterrichtskonzept und Begleitmaterialien entwickelt, die in Kooperation mit Lehrkräften weiterentwickelt und in der Schulpraxis getestet werden. Das Unterrichtskonzept beinhaltet eine Einführungsstunde, welche durch einen modularen Lernzirkel Einblicke in die verschiedenen Sensoren des Smartphones und deren Nutzbarkeit in Experimenten liefert. Zusätzlich werden den Lehrkräften low-cost Experimentiersets bereitgestellt, welche Arbeitsblätter, Lehrkräftehandreichungen sowie das experimentelle Zubehör in Klassenstärke zu zahlreichen Schülerexperimenten aus verschiedenen lehrplanrelevanten Inhaltsfeldern enthalten. Diese können die Lehrkräfte nach eigenem Ermessen in ihren Unterricht integrieren. Der Ansatz soll einen niederschwelligen Zugang zu einem breiteren unterrichtlichen Einsatz digitaler Messwerterfassung unter Nutzung von Smartphones ermöglichen. Eine Studie soll zeigen, inwiefern dieser Ansatz erfolgreich ist.
Konzipierung eines Workshops im MILeNa-Programm
„Magie oder MINT?“ ist ein zweitägiger Workshop zur Interessenförderung an MINT-Themen, der für das Programm MILeNa zur MINT-Lehrkräfte-Nachwuchsförderung konzipiert und entwickelt wurde. In dem Workshop sollen Schüler*innen der Oberstufe, die Interesse am Lehrberuf im MINT-Bereich haben, die Möglichkeit bekommen, selbst einen kurzen Kurs zu planen und diesen dann an ihrer eigenen Schule mit Schüler*innen der Unterstufe durchzuführen. Unter Anleitung durch Tutor*innen können die Oberstufenschüler*innen eigenständig Material entwickeln und ein Kurskonzept entwerfen. Um das Interesse sowohl der Unterstufen-Schüler*innen als auch das der Oberstufen-Schüler*innen anzusprechen, sollen ausgewählte magische Tricks unter dem Einsatz des forschenden Lernens durch Wissen aus dem MINT-Bereich erklärt werden. Als Grundlage der Konzipierung des Workshops wurde eine Bedarfsanalyse mit am MILeNa-Programm teilnehmenden Oberstufenschüler*innen durchgeführt. Konzeptionell wurde der Workshop in insgesamt 6 Bausteine aufgeteilt, welche sich an den nine events of instruction von Robert Gagné (Gagné & Briggs, 1974) orientieren.
MILeNa ist ein Programm zur MINT-Lehrkräfte-Nachwuchsförderung, welches seit 2013 existiert und dem sich dramatisch verschärfenden MINT-Lehrkräftemangel entgegenwirken soll. Interessierte Oberstufenschüler:innen werden in der Phase der Berufsentscheidung langfristig begleitet und erhalten tiefe praxisnahe Einblicke in das Berufsfeld einer MINT-Lehrkraft mit dem Ziel eine fundierte Studienentscheidung zu unterstützen. Seit 2017 wird das Programm in einer modifizierten Variante angeboten, zunächst von der RWTH Aachen und seit 2019 auf weitere Hochschulen ausgeweitet. Dabei werden die Programmbestandteile aktuell in einem Präsenz- oder Onlineformat umgesetzt. Zur Grundstruktur gehören neben einer Auftakt- und Abschlussveranstaltung ein mehrtägiger Basis-Workshop, welcher insbesondere Grundlagen zur Unterrichtsgestaltung, -planung, - vorbereitung und –durchführung vermittelt. In anschließenden schulischen Angeboten erproben sich die Schüler:innen in der Lehrendenrolle. Eine Beteiligung vieler Hochschulen ermöglicht neben wachsenden Teilnehmer:innenzahlen außerdem vielfältige (digitale) Zusatzangebote zu unterrichtlichen Themenstellungen.
Vorgestellt wird das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Projekt „AquaCitizens“, das im DBU-Projektcluster zur transformativen Bildung für nachhaltige Entwicklung (tBNE) verortet ist. Im Projekt „AquaCitizens“ wurde als Kontext für die Realisierung transformativer Bildungsprozesse die nachhaltige Wasserversorgung gewählt: Angesichts des Klimawandels zählen die Sicherung der Wasserversorgung sowie ein zukunftsfähiges technisches Wassermanagement zu den zentralen Aufgaben unserer Zeit. Sie betreffen nicht nur das individuelle Verhalten, sondern fordern auch Kommunen und Gesellschaft als Ganzes heraus, bestehende Infrastrukturen neu zu denken. Vor diesem Hintergrund wurde dieses bedeutsame Transformationsfeld bewusst als Ausgangspunkt für das Projekt gewählt. „AquaCitizens“ zielt auf Veränderungen im Denken und Handeln, auf ein integratives Verständnis von Nachhaltigkeit, auf die Hinterfragung bestehender Strukturen, auf die Integration von praktischen Erfahrungen und auf die Kooperation mit außerschulischen Partnern. Der Beitrag stellt die Struktur des Projekts vor und präsentiert Ergebnisse einer ersten explorativen Studie zu den Alltagsvorstellungen von Laien über die Herausforderungen eines nachhaltigen Wassermanagements. Die Ergebnisse der Studie dienen dazu, Angebote in „AquaCitizens“ entlang einer Didaktischen Rekonstruktion systematisch-fachdidaktisch zu entwickeln.
Unterstützung in der Studieneingangsphase
Besonders in MINT-Studiengängen sind hohe Abbruchquoten zu verzeichnen. Laut Neugebauer et al. (2019) erfolgen 47 % aller Studienabbrüche in den ersten beiden Fachsemestern. Unterstützungsmaßnahmen sollten daher in der Studieneingangsphase ansetzen. An der RWTH Aachen wird seit dem WS 2020/21 neben Physik (Bachelor und Lehramt) auch der Reformstudiengang Physik Plus angeboten. Dieser verlängert das Bachelorstudium auf acht Semester, wodurch in der Studieneingangsphase ergänzende Veranstaltungen möglich sind. Seit dem WS 2019/20 wurden sukzessive Daten in der Studieneingangsphase der Physikstudiengänge erhoben um Eingangsvoraussetzungen, Wahrnehmungen und Wünsche der Studierenden zu erfassen. Die Daten wurden in Form von Fragebögen und Interviews erhoben. Die Befragung hat ergeben, dass sich die Studierenden der unterschiedlichen Studiengänge signifikant in ihren Eingangsvoraussetzungen unterscheiden. Die ergänzenden Interviews ermöglichen einen tiefergehenden Einblick in die Wahrnehmungen und Wünsche der Studierenden des Studiengangs Physik Plus. In dem Beitrag wird der Studiengang Physik Plus mit aktuellen Studierendenzahlen vorgestellt sowie ein Einblick in die Eingangsvoraussetzungen, Wahrnehmungen und Wünsche dieser Studierenden gegeben.
Beim Game-based Learning können basierend auf bestehenden Spielkonzepten neue Spiele entwickelt werden, um spielerisch Fachinhalte zu vermitteln. Es ist förderlich, wenn das grundlegende Regelwerk den meisten Schüler*innen bekannt ist. Sind darüber hinaus das Konzept und die Regeln des Spiels möglichst einfach gestaltet, können sie auch von denjenigen Schüler*innen schnell erarbeitet werden, denen das zugrundeliegende Gesellschaftsspiel nicht geläufig ist. Dieses Konzept lässt sich auch mit Themen aus dem Physikunterricht umsetzen. In diesem Unterricht soll unter anderem Kommunikation über physikalische Phänomene erlernt und physikalisches Wissen systematisiert werden. Eine wichtige Grundlage dafür ist die korrekte Darstellung physikalischer Größen. Deshalb wurde das Gesellschaftsspiel "Upho" entwickelt, das an das bekannte Spiel "Uno" angelehnt ist. Die Spieler*innen sollen damit üben, Größen, Formelzeichen, Einheiten und Formeln als solche zu erkennen und die zur selben physikalischen Größe gehörenden einander zuzuordnen. Das Spiel kann flexibel an verschiedene Themenbereiche angepasst werden, soll motivationsfördernd wirken, den Unterricht auflockern und ohne großen Material- oder Zeitaufwand eine Lerngelegenheit bieten. In ersten Erprobungen mit Schüler*innen wurde beobachtet, dass die teilnehmenden Schüler*innen gut mit dem Spiel zurechtkommen, Spaß haben und das Spielmaterial gut ankommt. Zudem wurden Selbsteinschätzungen der Schüler*innen erhoben, ob das Spiel einen Beitrag zu den Lernzielen leisten kann.
Der vorliegende Beitrag untersucht die Rolle von Kreativität und Kunst im Rahmen des MINKT-/STEAM- Unterrichtsansatzes auf Basis eines systematischen Reviews internationaler empirischer Studien (n = 22). Ziel ist es, die verschiedenen Verständnisse von K (Kunst oder Kreativität) im deutschsprachigen Begriff MINKT und die entsprechenden Konzepte im internationalen STEAM zu analysieren. Die Studien wurden in Anlehnung an PRISMA-Empfehlungen für systematische Reviews aus Scopus und Web of Science identifiziert und auf Eignung geprüft. Dabei konnten keine geeigneten deutschsprachigen Veröffentlichungen gefunden werden, sodass sich die Analyse rein auf Studien zu STEAM berufen muss. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass eine Förderung von Kreativität in den Studien als zentrale Wirkung von STEAM- Interventionen gilt, wobei diese jedoch unterschiedlich definiert wird. Dabei besteht außerdem keine einheitliche Auffassung darüber, ob das A in STEAM für bildende und darstellende Kunst, Gesellschaftswissenschaften oder auch jegliche kreativen Tätigkeiten steht. Die Diskussion beleuchtet theoretische, didaktische und empirische Implikationen für die fächerübergreifende Lehre in den Naturwissenschaften und der Kunst.
Analoges Problemlösen auf dem Prüfstand: Reproduzierbarkeit und neue Erkenntnisse
Die Auseinandersetzung mit Socioscientific Issues erfordert häufig, dass SchülerInnen ihr wissenschaftliches Wissen in unbekannten und unsicheren Kontexten anwenden. Problemlösen durch Analogietransfer (Analogical Problem Solving) kann dabei helfen, vorhandenes Wissen auf neue Situationen anzuwenden. Problemlösen durch Analogietransfer nutzt Analogien oder Metaphern, um ein neues Problem durch Parallelen zu einem zuvor gelösten Problem zu lösen (Gick & Holyoak, 1983; Schmid, 2006). Diese Art des Transfers konzentriert sich auf strukturelle Ähnlichkeiten zwischen Problemen und nicht auf vergleichbare Oberflächenmerkmale (Schmid, 2006). Studien (siehe Gray & Holyoak, 2021) zeigen, dass ProbandInnen, die eine Geschichte mit einer spezifischen Lösungsstrategie lesen, diese Strategie häufiger auf eine analoge Problemgeschichte anwenden. Eine erste Replikation der Ergebnisse von Gick & Holyoak (1980) im Zusammenhang mit naturwissenschaftlicher Bildung durch Seiter & Krabbe (2024) bestätigte diese Ergebnisse nicht. Um die abweichenden Ergebnisse besser analysieren zu können wurden weitere Erhebungen durchgeführt. Der Beitrag liefert neue Erkenntnisse sowie methodische Überlegungen und diskutiert Implikationen für zukünftige Forschung.
Im Forschungsprojekt wird die Effektivität von vier verschiedenen zeichnerischen Methoden (Betrachten, Abzeichnen, Ergänzen und Freizeichnen) auf das Leseverstehen und die Konzeptbildung von Lernenden im naturwissenschaftlichen Unterricht beforscht und in Verbindung mit personenbezogenen Merkmalen gesetzt. Bei der im Folgenden beschriebenen ersten Auswertung zeigen sich Tendenzen, dass die Methode des „Ergänzens“ von Zeichnungen die besten Ergebnisse in Bezug auf die Nennung richtiger Konzeptbausteine und das geringste Auftreten von Fehlvorstellungen erzielt. Das „Freizeichnen“ zeigt ebenfalls im Bezug auf den Lernerfolg vielversprechende Ergebnisse. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass zeichnerische Methoden, insbesondere das Ergänzen und Freizeichnen, das Lernen und Verstehen von naturwissenschaftlichen Konzepten fördern können. Die Analyse weiterer Daten ist zur weiteren Klärung notwendig. Im Folgenden soll vor allem die Analysemethode in den Blick genommen werden.
Auswirkungen eines MINT-Projekts auf die Motivation und die Selbstwirksamkeit
Der Frauenanteil im MINT-Bereich ist noch immer gering. Das Projekt changING regio, das vom Exzellenzcluster SE2A an der Technischen Universität Braunschweig im Bereich der Gleichstellung gefördert wird, will diesem Defizit entgegenwirken. Schülerinnen der 11. und 12. Klasse aus Niedersachsen gewinnen dabei einen Einblick in die Arbeit von Wissenschaftler:innen, lernen weibliche Vorbilder kennen und reflektieren ihre berufliche Orientierung, für den MINT-Bereich. Nach wöchentlichen Videokonferenzen zur inhaltlichen Vorbereitung fanden fünf Präsenztage mit Instituts-besuchen und Hands-on-Experimenten in Braunschweig statt. Die Ergebnisse der Auswirkungen auf die Selbstwirksamkeit, die Motivation und das Interesse wurden durch Mixed-Methods ausgewertet. Es zeigten sich positive motivationale und selbstwirksamkeitsfördernde Ergebnisse.
Das Interesse von Schülerinnen und Schülern an physikalischen Themen
Welche naturwissenschaftlichen Kontexte von Jugendlichen als interessant angesehen werden wurde in großangelegten quantitativen Studien wie der IPN-Interessensstudie (1998) und der internationalen ROSE-Studie (2010, 2019) systematisch untersucht. In einer Folgestudie von Zöchling (2023) wurde gezeigt, dass Kontexte in einer Hierarchie von mehreren Stufen kategorisiert werden können: Kontexte wie „der eigene Körper“ sowie sozialwissenschaftliche und grundlegende Fragestellungen der Menschheit, werden vom überwiegenden Teil der Jugendlichen als interessant angesehen, während Kontexte mit Bezug zu Wissenschaft und Technik weniger gut abschneiden. Dies deutet darauf hin, dass physikalische Inhalte von Jugendlichen nur dann als interessant bewertet werden, wenn sie in spezifischen, als relevant wahrgenommenen Kontexten eingebettet sind. Um die Ursachen zu ermitteln, warum bestimmte Kontexte von Jugendlichen als interessant wahrgenommen werden und welche sozialen, persönlichen und gesellschaftlichen Faktoren dabei für sie von Bedeutung sind, wurde von uns auf Basis von Interviews mit Jugendlichen ein Fragebogen entwickelt. Mit diesem soll erfasst werden, wann, wie und in welchen Kontexten Interessen von Jugendlichen entstehen und wie sich Jugendliche mit ihren Interessen beschäftigen. Außerdem wird untersucht, ob es Unterschiede zwischen Themen gibt, die Jugendliche im Allgemeinen interessieren und physikalischen Themen, die die Jugendlichen als interessant ansehen. Im Rahmen des Beitrags werden sowohl die Entwicklung des Fragebogens als auch erste deskriptive Ergebnisse vorgestellt.
Entwicklung und Validierung eines Testinstruments zu einfachen Stromkreisen
Zur Erfassung typischer Lernendenvorstellungen und des konzeptionellen Verständnisses zu einfachen elektrischen Stromkreisen wurde ein dreistufiges Multiple-Choice-Testinstrument entwickelt, d. h. die Items erfassen neben einer Antwort auf eine Frage auch die zugehörige Begründung und die subjektive Sicherheit der Teilnehmer bei der Beantwortung der Frage. Die in diesem Artikel beschriebene Validierung basiert zunächst auf der zweistufigen Auswertung der Kombinationen aus Antwort und Begründung. Die 18 Testitems wurden auf Basis einer Literaturrecherche konstruiert und decken sechs verbreitete Vorstellungen zu den Konzepten Strom, Spannung, Widerstand, Energiefluss in Stromkreisen sowie deren Systemcharakter ab. Durch eine Expertenbefragung wurde die inhaltliche Validität der Testitems überprüft, die quantitative Evaluation erfolgte in einer Online-Befragung mit N = 159 Studierenden naturwissenschaftlicher Studiengänge im ersten Studienjahr. Die Items zeigten angemessene Schwierigkeiten, hohe Trennschärfen und eine sehr gute interne Konsistenz (α = 0,90). Konfirmatorische Faktorenanalysen mit Bifaktormodellen ergaben gute Modellfit-Indizes und ausreichend hohe Subskalen-Reliabilitätswerte mit Blick auf Lernendenvorstellungen, was die Diagnosefähigkeit des Testinstruments unterstützt.
Das Schülerlabor Labs4Future (9. Jgst, 2x6h) an der Universität Würzburg versucht eine Form interdisziplinärer, naturwissenschaftlicher Bildung zu praktizieren, die nicht bei der Wissensvermittlung stehen bleibt, sondern den Lernenden Wege in wirksames Handeln aufzeigt. Doch wie lässt sich dieser Prozess - Klimahandeln und seine Determinanten - beforschen? Neben einer quantitativen Erhebung wurde eine qualitative Evaluation mittels leitfadengestützter Interviews durchgeführt, um subjektive Bedeutungszuschreibungen und Handlungsmuster zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen: Trotz in den Fragebögen reduzierter emotionaler Betroffenheit nach dem Besuch des Labs4Futre bleibt das Problembewusstsein bestehen – emotionale Abwehrmechanismen wie Verdrängung entstehen als Reaktion auf ein Gefühl der Ohnmacht. Der Artikel betrachtet dieses Phä- nomen genauer. Zentrale Methoden des Labs4Future wurden auch an einer Schule in Norwegen durchgeführt, mit anschließenden Interviews in Kleingruppen. Mithilfe der Einzelinterviews werden zentrale Hürden für nachhaltiges Handeln der Jugendlichen herausgearbeitet und durch Aussagen norwegischer Schüler:innen ergänzt. Diese Ergebnisse betonen die Notwendigkeit einer reflexiven, handlungsorientierten Klimabildung, die individuelle und kollektive Handlungsperspektiven eröffnet.
Interviewstudie zu Modellen einfacher Stromkreise
In der Physik sind viele Größen und Konzepte abstrakt, unanschaulich oder nicht direkt beobachtbar, wie beispielsweise die elektrische Spannung in einem Stromkreis. Daher liegt es nahe, bei der unterrichtlichen Behandlung von elektrischen Stromkreisen auf entsprechende Analogien bzw. Modelle zurückzugreifen, um diese zu veranschaulichen. Die fachdidaktische Forschung hat sich bisher primär auf die Entwicklung und Evaluation einzelner Modelle des einfachen Stromkreises fokussiert; vergleichende Analysen zur Akzeptanz bzw. Lernförderlichkeit der Modelle fehlen jedoch weitgehend. Um diesem Desiderat zu begegnen wurden Akzeptanzbefragungen mit Lernenden zum Elektronengasmodell und zum Wasserfallmodell durchgeführt, die beide grundsätzlich zur Veranschaulichung der elektrischen Spannung geeignet sind. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich beide Modelle von den Lernenden akzeptiert werden. Unterschiede zwischen den Modellen zeigen sich in Bezug auf das Konzeptverständnis der Modelle und der zugrundeliegenden Stromkreise, sowie dem Analogieschluss zwischen Modell und Stromkreis.
Komplementär vernetzte Bildungsangebote erforschen
Angebote außerschulischer Lernstandorte weisen ein großes Potenzial für die Erweiterung schulischer Bildung auf. Dieses wird von Schulen und Lehrkräften zwar erkannt, jedoch häufig nicht ausgeschöpft. Ein Grund dafür ist, dass die Besuche an den Lernstandorten im Unterricht nicht hinreichend vor- und nachbereitet werden und die unterrichtliche Einbettung damit unterbewertet wird. Das Projekt ReBiS (Regionales MINT-Bildungsökosystem) nimmt sich dieser Problematik an. Bei ReBiS wird ein Konzept entwickelt und erprobt, wonach außerschulische Angebote explizit in den Fachunterricht eingebettet werden, um Schüler:innen an Themen heranzuführen, die für den regulären Unterricht meist zu komplex sind. Mehrere Fächer und mehrere außerschulische Lernstandorte vernetzen sich mit ihren Bildungsangeboten in komplementärer Weise, d. h. einander ergänzend oder im Kontrast zueinander. Zusammengenommen bieten die Perspektiven der Fächer und der Lernstandorte einen multidisziplinären Zugang zu komplexen Problemkontexten, wie sie der Klimawandel, die Veränderungen im Küstenraum, die Ambivalenz von Kunststoffen etc. darstellen. An ReBiS beteiligen sich vier Schulen und sechs außerschulische Lernstandorte aus dem Raum Wilhelmshaven und Oldenburg. ReBiS wird von der Deutschen Telekom Stiftung im Programm ‚Chancen bilden‘ gefördert. Dieser Beitrag setzt nach einer Darstellung des Projektansatzes den Fokus auf die begleitende Forschung. Es werden subjektive Überzeugungen der beteiligten Bildungsanbietenden zur Rolle außerschulischen Lernens und der Einbettung in den Fachunterricht erhoben sowie die jeweiligen Umsetzungen des ReBiS-Ansatzes in den Schulen und die Wahrnehmungen der Schüler:innen erfasst.
Laserphysik im Lehr-Lern-Labor: Wie Lernumgebung und Disposition die intrinsische Motivation beeinflussen
Der Beitrag untersucht, inwiefern personenspezifische Merkmale und die Gestaltung der Lernumgebung eines Projekttags zur Laserphysik im Lehr-Lern-Labor die intrinsische Motivation von Schüler:innen beeinflussen. Im Rahmen eines Prä-Post-Designs (n =44) wurden Persönlichkeitsmerkmale, Denktypen und motivationale Ausgangslagen erfasst. Nach dem Besuch des Lehr-Lern-Labors erfolgte eine Erhebung der erlebten intrinsischen Motivation mittels der KIM-Kurskala sowie der wahrgenommenen Merkmale der Lernumgebung. Die Ergebnisse zeigen Zusammenhänge zwischen intrinsischer Motivation und extravertierten bzw. empathisierenden Persönlichkeitsmerkmalen sowie mit dem Interesse an Physik. Darüber hinaus erwiesen sich Aspekte der Lernumgebung – insbesondere eigenständiges Experimentieren, die Qualität der Betreuung und das Lernsetting vor Ort – als bedeutsame Prädiktoren. Der Beitrag diskutiert die Befunde vor dem Hintergrund aktueller motivationspsychologischer Theorien nach Rheinberg, Deci & Ryan und leitet Implikationen für die Gestaltung motivierender außerschulischer Lernformate ab.
Die Lesson Study erlaubt eine Form der Unterrichtsforschung, bei der Schülerlernen im Fokus steht und bei der durch Beobachtung der Lernendenhandlungen Rückschlüsse auf abgelaufene Lernprozesse gezogen werden (Knoblauch 2017; Mewald 2019). In Praxismodulen nutzen wir den Planungsansatz der Rückwärtsplanung, der zwischen Sicht- und Tiefenebene unterscheidet (Richter & Komorek 2017) ), und verknüpfen diesen mit der Lesson Study. Ihre Planung erproben die Studierenden in einer Kooperationsschule; eine Person der Studierenden unterrichtet, während die anderen Studierenden das Handeln je eines Lernenden beobachten. In der anschließenden Auswertung wird versucht aus den Beobachtungen auf kognitive Prozesse der Lernenden zu schließen. Die beobachteten Handlungen von Lernenden, die abgeleiteten Kognitionen und die Planungen werden anschließend systematisch aufeinander bezogen. Obwohl es sich bei der Lesson Study um eine effektive Methode handelt, um die Oberflächenstruktur des Unterrichts zu erfassen, mangelt es ihr an Indikatoren, mit denen auf die Tiefenstruktur geschlossen werden kann. Dadurch ergibt sich die Herausforderung, die Methode der Lesson Study der theoretischen Fundierung hinsichtlich des Planungsansatzes Backbone anzupassen. Der Lösung dieses Problems versuchen die Autoren näher zu kommen.
Mehrere unabhängige, internationale Studien zeigen, dass Schüler*innen mit einem (fachbezogenen) Growth Mindset einen besseren Umgang mit herausfordernden Lernsituationen haben, unabhängig von ihrem tatsächlichen Könnens- und Wissensstand. Eigene Erhebungen zeigen, dass sich Schüler*innen zu Beginn des Physikunterrichts in der 7. Jahrgangsstufe überwiegend dem Growth Mindset zuordnen lassen, doch schon im ersten Lernjahr verändert sich diese Verteilung: immer mehr Schüler*innen sind von einer notwendigen Physik-Begabung überzeugt und vertreten somit ein physikbezogenes Fixed Mindset. Die Lerneinheit „Mach dein Gehirn fit für Physik“ ist als fachbezogene Mindset-Intervention entwickelt worden, um diesem Mindset-Shift entgegenzuwirken. Angelehnt an die allgemeinen Mindset-Interventionen nach Yeager und Dweck und mit der Einübung einer Lernstrategie an das Fach Physik geknüpft, kann die Lerneinheit curriculumsunabhängig in der Sekundarstufe 1 eingesetzt werden. In einer ersten Studie im Pre-Post-Design wurde die Lerneinheit mit 14 Lerngruppen durchgeführt und die Wirkung der Intervention auf das physikbezogene Mindset der teilnehmenden Schüler*innen untersucht.
Der Bereich non-formaler Bildungsangebote wächst beständig und es gibt zahlreiche Tendenzen, non-formale, außerschulische MINT-Angebote mit den schulischen MINT-Angeboten zu verknüpfen (vgl. Tischer & Komorek in diesem Band). Auch besteht ein Bedarf von Kindern und Familien, non-formale MINT-Bildungsangebote für den Freizeitbereich aufzuschließen (Komorek & Hiniborch, 2024). Im vorliegenden Beitrag geht es in erster Linie darum, verschiedene non-formale Bildungsangebote komplementär, also einander ergänzend zu verknüpfen. Die Experimentierangebote des Schülerlabors physiXS der Universität Oldenburg werden mobilisiert und stationieren sich im Industriemuseum Nordwolle in Delmenhorst. Eine dort bestehende Museumführung für Schulklassen wird so angepasst, dass zu bestimmten Themen der Führung physikalische Experimente es den Schüler:innen verdeutlichen sollen, vor welchen technischen und naturwissenschaftlichen Problemen die Nordwolle-Fabrik seinerzeit stand und welche Lösungen gefunden wurden. Die Schüler:innen mehrerer 8. Schulklassen einer IGS sind an den Stationen selbst aktiv geworden. In einem Design-based Research-Verfahren (Reinmann, 2005) wird die Kombination von Führungselementen und Experimentierelementen variiert, um zum einen die Passung beider Teile des konkreten Angebots zu optimieren und um zum anderen generelle Erkenntnisse über die Kombination klassischer Museumsführung und interaktiver Experimentierstationen zu gewinnen. Der Beitrag informiert über das empirische Vorgehen und über den Transfer der Erkenntnisse auf ein Angebot des Museumsschiffs „Feuerschiff Norderney“ in Wilhelmshaven.
Motivation durch Wahl: Autonomieförderung im Physikunterricht
Motivation ist aus Sicht der Physikdidaktik und aus Perspektive von Lehrkräften ein zentrales Ziel des Physikunterrichts. Nach der Selbstbestimmungstheorie von Deci und Ryan entsteht (intrinsische) Motivation dann, wenn Grundbedürfnisse wie Autonomie, Kompetenz und soziale Bezogenheit erfüllt werden. Insbesondere das Autonomieerleben spielt dabei eine entscheidende Rolle. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie Physikunterricht gestaltet werden kann, der das Autonomieerleben fördert. Wahlmöglichkeiten gelten in der Theorie als effektive Maßnahme zur Förderung von Autonomie und konnten in anderen Bereichen und Kontexten bereits positive Effekte auf affektiv-motivationale Merkmale zeigen. Der Beitrag widmet sich dieser Fragestellung und präsentiert Ergebnisse aus zwei Studien, in denen Wahlmöglichkeiten in Experimentierphasen als autonomiefördernde Maßnahme untersucht wurden. In den Studien wurde analysiert, inwiefern die Implementation von Wahlmöglichkeiten u.a. die Motivation von Schüler*innen beeinflusste. Die Studien zeigten, dass Wahlmöglichkeiten beim Experimentieren das Interesse und Vergnügen (als Selbstberichtswert intrinsischer Motivation) der Schüler*innen fördern können, während die Wahl des Offenheitsgrads der Experimentieranleitung insgesamt keine Auswirkungen auf die Motivation hatte – allerdings wirkte sich eine fehlende Wahl bei geöffneter Anleitung tendenziell motivationsmindernd aus.
Was motiviert Schüler*innen Lehramt zu studieren?
Vor dem Hintergrund rückläufiger Studierendenzahlen im Lehramtsstudium mit dem Fach Physik und generell, stellt sich die Frage, was Schüler*innen motiviert, ein Lehramtsstudium zu beginnen, welche Vorstellungen sie über den Lehrberuf haben, und welche Erwartungen an den Berufsalltag als Lehrkraft existieren. In einer Mixed-Methods-Erhebung an hessischen Schulen wurden deswegen Schüler*innen, die kurz vor dem Abitur stehen, zu ihrer Motivation bei der geplanten Berufswahlentscheidung und zu ihren Erwartungen an den zukünftigen Beruf, bzw. ihr angedachtes Studium oder Ausbildung befragt, mit einem besonderen Fokus auf den Schüler*innen, die ein Lehramtsstudium in Betracht ziehen. Dabei interessiert nicht nur, welche Motive für die Wahl eines Lehramtsstudiums ausschlaggebend sind, sondern auch, inwiefern sich diese oder damit verbundene Faktoren über den Verlauf des Studiums ändern. Aus diesem Grund ist die Studie als (quasi-)längsschnittliche Erhebung geplant, die sowohl Abiturient*innen als auch Studierende in den Blick nimmt. Ein besonderer Fokus ist auf die Wahl der Fächer, speziell aus den Naturwissenschaften, gerichtet.
Quantum physics is a successful field of science with many relevant applications in everyday life. An exciting question is still, what is the fundamental reason for the postulates about quanta? An answer would provide a deeper insight into nature. Such an insight can sometimes be achieved with help of a paradox. How can we derive the quantum postulates with help of a paradox? In present-day science, space is usually modelled as a single entity. However, special relativity shows that this view is paradoxical. Instead, space consists of several volume portions that move at the velocity of light. According to the observed isotropy of space at a universal scale, space is a statistical average of rapidly moving volume portions. This solves the paradox. Therefrom, the deeper insight is achieved as follows: The dynamics of these volume portions is derived. Therefrom, the Schrödinger equation and the quantum postulates are derived. In this manner, the dynamics of space provides the fundamental reason for the postulates about quanta. In the learning process, the students achieve an intensive awareness, as they experience a cognitive conflict, the paradox. With it, they realize that the basic concept of a single entity of space is insufficient. They realize that the new concept requires rapidly moving volume portions and provides the quantum postulates. A concept for teaching is presented and experiences are reported.
Didaktische Rekonstruktion zur Quantenbildgebung
Ein wesentliches Merkmal von Quantenobjekten ist die Fähigkeit zur Interferenz. In einem Mach-Zehnder-Interferometer beobachtet man Interferenz von Laserstrahlen oder auch Einzelphotonen. Für Laserstrahlung lässt sich dieses Phänomen klassisch sehr anschaulich mithilfe der Überlagerung zweier elektromagnetischer Wellen erklären, die auf zwei unterschiedlichen Wegen durch das Interferometer propagieren. Entscheidend für die quantenphysikalische Erklärung ist, dass für ein Einzelphoton, das zum Interferenzmuster beiträgt, keine Information über den tatsächlich genommenen Weg durch das Interferometer vorliegt. Liegt stattdessen Welcher-Weg-Information vor, trägt das Einzelphoton nicht zum Interferenzmuster bei. Klassisch kann man dazu einen der beiden Strahlengänge im Interferometer blockieren: Das Interferenzmuster verschwindet. Wir gehen hier der Frage nach, was mit dem Interferenzmuster passiert, wenn ein Strahlengang etwas geschwächt wird, z.B. durch ein Objekt mit Transmissionskoeffizient T und wie sich die Sichtbarkeit der Interferenz (= Interferenzkontrast) im Experiment sogar quantifizieren lässt. Der Interferenzkontrast charakterisiert unter anderem die Performanz von Experimenten zur Quantenbildgebung und die Transmission des Objekts. Somit beleuchtet dieser Artikel auch einen wichtigen Teilaspekt moderner Quantentechnologien und bereitet ihn für Lehramtsstudierende und außerschulische Lernorte auf. Weiterhin wird das Mach-Zehnder-Interferometer mit einem Objekt im Strahlengang ausführlich mathematisch beschrieben, da Lehramtsstudierende der Physik nicht nur den Dirac-Formalismus im Rahmen der zweiten Quantisierung auf ein schultaugliches Real-Experiment anwenden können, sondern auch Interferenz sprachlich sauber charakterisieren lernen.
Entwicklung einer Versuchsanleitung zu Interferenz-Experimenten mit Einzel-Photonen im Rahmen eines Quantenoptik-Praktikums
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Versuchsanleitung, mit der Schülerinnen und Schüler der Oberstufe Einzel-Photonen-Interferenz und darauf aufbauend den Quantenradierer unter Verwendung eines Quantenoptik-Kits der Firma Thorlabs® im Rahmen eines Praktikums erkunden können. Der wiederholte Vergleich von klassischen und quantenmechanischen Beschreibungen macht auf Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede aufmerksam und kann helfen, Schülervorstellungen zu überwinden. Dieser Beitrag beschreibt die experimentelle Umsetzung und Überlegungen, die bei der Entwicklung der Versuchsanleitung zu den Experimenten eingeflossen sind. Das eröffnet Einblicke in die laufende Entwicklungsarbeit eines Quantenoptik-Praktikums an der RWTH Aachen.
NV-Zentrum Magnetometer und sein didaktisches Konzept
Dieser Konferenzbeitrag stellt ein NV-Zentrum Magnetometer Aufbau für den Lehrkontext vor. Im Vergleich zu anderen Anwendungen (bspw. kalte Atome, Ionen oder Supraleiter) der Quantenmechanik kann ein solches Experiment günstig, ungiftig, bei Raumtemperatur, … also didaktisch vielversprechend aufgebaut werden. Mit ansprechenden Kontexten aus der Biologie und der Medizin, versucht das hier vorgestellte didaktische Konzept die Motivation für quantenmechanische Inhalte zu generieren. Weil diese Inhalte im Bereich der NV-zentren Magnetometer über die Lehrpläne in Deutschland hinausgeht, wird in ein Basis- und ein Expertenniveau unterteilt. In Letzterem sind ebenfalls zusätzliche verwandte Experimente in Entwicklung, die das erweiterte didaktische Konzept zum Beispiel für außerschulische Lernorte attraktiv gestalten soll.
Praxisorientiertes Fortbildungskonzept mit Selbstlerneinheiten zur Quantenphysik - Fokus auf dem Nachweis der Quantennatur des Lichts und der Erzeugun einzelner Photonen
Anknüpfend an einen gleichnamigen Vortrag werden hier Ergebnisse der Kooperation zweier Arbeitsgruppen der Universität Stuttgart und Friedrich-Schiller-Universität Jena vorgestellt, die daran arbeiten, einen Teil des hohen Bedarfs an Lehrerfortbildungen zur Quantenphysik zu decken. In diesem Beitrag wird ein didaktisches Konzept rund um die Eigenschaften einzelner Photonen näher erläutert. So wird beispielsweise in einem interaktiven, aktivierenden Moodle-Kurs die Erzeugung einzelner Photonen basierend auf Grundlage der Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC) vorgestellt.
Von den Anfängen zur Anwendung: 5 Jahre Competence Framework for Quantum Technologies
Das European Competence Framework for Quantum Technologies (CFQT) ist der europäische Referenzrahmen zur Standardisierung der Quantentechnologie-Bildung. Es bietet eine gemeinsame Sprache zu Themen und Konzepten rund um Quantentechnologien mit Beschreibungen von Kompetenzleveln, strukturiert in der Content Map und dem Proficiency Triangle. Zusätzlich werden in den sogenannten Qualification Profiles typische Qualifikationen aufgezeigt, die für die Arbeit im Quantentechnologie-Kontext relevant sind. So kann das CFQT etwa für die Definition von Lernzielen, die Planung von Bildungsangeboten oder den Vergleich von Qualifikationen genutzt werden. Das CFQT basiert im Wesentlichen auf zwei Studien: einer iterativen Fragebogenstudie in Anlehnung an die Delphi-Methode (2020/2021) und der Analyse von 34 Interviews mit Fachkräften aus der Industrie (2023). Diskutiert werden die Einflüsse dieser Studien auf das CFQT bzw. die drei Teile des CFQT (Content Map, Proficiency Triangle und Qualification Profiles) sowie Anwendungsfälle des CFQT in Deutschland, der EU und weltweit.
Der Beitrag stellt ein neuartiges Konzept zur Integration von Augmented Reality (AR) in die physikalische Experimentierpraxis an außerschulischen Lernorten vor. Der AR Physics Table kombiniert reale Versuchsaufbauten mit digitalen Aufprojektionen, interaktiven Visualisierungen und narrativen Elementen. Ziel ist es, physikalische Konzepte sichtbar zu machen, Prinzipien wie Just-in-Time-Information, Storytelling und Gamification für die Experimentierpraxis zu erschließen und Experimentiermaterialen und -aufbauten um digitale Funktionalitäten zu erweitern. Der Artikel beschreibt das Systemkonzept, erläutert die zugrunde liegenden didaktischen Zielsetzungen und berichtet von ersten prototypischen Erprobungen im TECHNOSEUM Mannheim. Damit eröffnet der Ansatz neue Möglichkeiten, skalierbare, robuste und niedrigschwellige Implementierungen digital erweiterter Experimente in Schülerlaboren und Science Centern zu realisieren.
Mit der Veröffentlichung von ChatGPT im November 2022 hat Künstliche Intelligenz (KI) unzählige neue Möglichkeiten zur Unterstützung unseres Alltags geschaffen. Auch im Bildungsbereich eröffnen sich durch KI neue Möglichkeiten zur Erweiterung bestehender Lehrformate und -methoden, beispielsweise durch den Einsatz von Chatbots als unterstützende Lehrassistenten. Vor diesem Hintergrund wurde ein KI-gestützter Chatbot für ein Lehr-Lern-Labor auf Basis didaktischer Prinzipien in ChatGPT entwickelt, um Studierende bei der Entwicklung von Experimentierumgebungen für Schülerinnen und Schüler zu unterstützen. Nach einer mehrwöchigen Nutzung durch die Studierenden wurde die Akzeptanz des Chatbots mittels leitfadengestützter Interviews evaluiert. Die Transkripte wurden auf Basis des Technologieakzeptanzmodells (TAM) qualitativ analysiert, um zu erfassen, wie die Studierenden den Chatbot nutzen und bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Studierenden den Chatbot intensiv zur Ideenfindung und anfänglichen Planung ihrer Stationen nutzten, während die Nutzung im weiteren Verlauf der Stationsentwicklung abnahm. Insgesamt wurde der Chatbot hinsichtlich seiner Nützlichkeit und Benutzerfreundlichkeit überwiegend positiv bewertet. Zugleich verdeutlichen die Ergebnisse die Grenzen solcher generativer KI-Systeme und die Relevanz individueller sowie kontextueller Einflussfaktoren.
Der ESP32 ist ein beliebter Mikrocontroller in der Welt der Elektronik und des Internet of Things (IoT). Für den Einsatz im Physik- und Technikunterricht ist er hervorragend geeignet: Er verfügt über eine Vielzahl an intern verbauten Sensoren, und bei fast allen Modellen bietet der ESP32 Bluetooth /Bluetooth Low Energy (BLE) Konnektivität. Im Beitrag wird der ESP32 mit Blick auf den Einsatz im MINT-Unterricht charakterisiert. Der Fokus liegt hierbei auf der Nutzung der Sensoren sowie auf dem Einsatz eines modernen, modular aufgebauten, computergestützten Messwerterfassungssystems mit Option auf BLE-Konnektivität. Für die Praxis relevante Unterschiede gegenüber dem Mikrocontroller-Board „Arduino“ so wie dem Mini-PC „Raspberry Pi“ werden kurz charakterisiert und diskutiert. Exemplarisch werden zwei kreative schülerrelevante Projekte vorgestellt, die auf einem ESP32 basieren und eindrücklich zeigen, dass der ESP32 den MINT-Unterricht um digitale Medien bereichert und zugleich spielerisch zu einem kompetenzorientierten Unterricht einlädt. In einem ersten Projekt werden mit dem ESP32-CAM-Modul Objekte in einem Live-Stream erkannt und identifiziert, indem die Bilddaten analysiert und interpretiert werden. Im zweiten Projekt wird ein Anemometer in Kombination mit dem im ESP32 integrierten Hall-Sensor eingesetzt, um die Windgeschwindigkeit zu messen.
Einstellung von Lernenden zum Einsatz von (interaktiven) Experimentiervideos
Eigenständiges Experimentieren stellt ein zentrales Element des Physikunterrichts dar. Nicht immer können jedoch Schüler*innenexperimente durchgeführt werden. (Interaktive) Experimentiervideos bieten hier eine digitale Alternative, da sie unabhängig von Rahmenbedingungen wie vorhandenem Material oder möglichen Gefahrenquellen genutzt werden und an die Lerngruppe angepasst werden können. Ihre erfolgreiche Implementation in den Physikunterricht hängt unter anderem von der Einstellung der Lehrkräfte ab, die grundsätzlich positiv erscheint. Ergänzend wurden in der hier vorgestellten Studie die Einstellungen der Schüler*innen gegenüber dem Medium Experimentiervideo erhoben, da bekannt ist, dass positive Einstellungen gegenüber Lehr-Lernmedien sich förderlich auf das Engagement und Fachinteresse der Schüler*innen im Fach auswirken. Die Ergebnisse zeigen eine überwiegend positive Einstellung zur Arbeit mit (interaktiven) Experimentiervideos, wobei Schüler*innen unterschiedliche, zum Teil gegensätzliche, Sichtweisen – insbesondere im Vergleich zum Realexperiment – auf das Medium haben.
PUMA : Optiklabor in der Praxis – erste Erfahrungen mit der interaktiven WebAR-Simulation
Das PUMA (Physikunterricht mit Augmentierung) Optiklabor stellt eine webbasierte Augmented Reality Umgebung zur Verfügung, die Schülerinnen und Schülern neue Experimentiergelegenheiten jenseits von Realexperiment und Bildschirmsimulation schafft. Als digitales Schülerexperimentierset verwenden die Jugendlichen auf dem Tisch verteilte Papiermarker. Der Blick „durch“ Smartphone oder Tablet-PC ergänzt Geräte wie Laser, Kerzen, Schirme usw., die für den Anfangsunterricht der Optik benötigt werden. Mit diesen Gegenständen kann im dreidimensionalen Raum frei experimentiert werden. Dank des browserbasierten Ansatzes entfällt die Notwendigkeit einer Installation, was einen flexiblen Einsatz ermöglicht. Im Schuljahr 2024/25 wird die WebApp in der Sekundarstufe I bayerischer Realschulen und Gymnasien erprobt. Begleitend füllen die Schülerinnen und Schüler Fragebögen zu technischen und affektiven Aspekten, wie auch Fachwissen aus. Trotz noch laufender Studie bieten sich bereits vielfältige Einblicke in die erhobenen Daten.
Smartphone-gestützte Experimente zur Quantenphysik
Gängige Schulexperimente zur Quantenphysik sind häufig komplex und/oder stellen eine Art "Black Box" für SchülerInnen dar, welche nicht vollständig verstanden wird. Zudem wird typischerweise kostenintensives Equipment benötigt, sodass anstelle von Schülerexperimenten häufig nur Simulationen durchgeführt werden. Aus diesem Grund wurden Schülerexperimente zur Quantenphysik und Quantentechnologie mit übersichtlichen, leicht verständlichen Aufbauten entwickelt, welche das schülereigene Smartphone mithilfe der App phyphox für die Messdatenerfassung und -darstellung nutzen. Hierbei handelt es sich (i) um ein Experiment zur Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums sowie (ii) um ein Analogieexperiment zur quantenkryptographischen Übertragung von Schlüsseln mithilfe des BB84-Protokolls. Dabei wurde das Experiment zur h-Bestimmung als einfach zu realisierendes DIY-Projekt ausgelegt, was nicht nur zu niedrigen Kosten führt, sondern auch zusätzliches didaktisches Potential birgt. Beide Experimente wurden sowohl mit Studierenden als auch mit SchülerInnen im Einsatz evaluiert und weiterentwickelt.
Analyse von Lehrkräfte-Netzwerken und deren Nutzung
Ein wesentlicher Aspekt fachdidaktischer Forschung ist die Weiterentwicklung schulischen Unterrichts. Neben der Entwicklung von Lehrinnovationen zählt dazu insbesondere auch deren gelungene Implementation in der Schulpraxis. Eine zweckdienliche Strategie ist der symbiotische Implementationsansatz, der durch einen Austausch zwischen Wissenschaft und Praxis geprägt ist. Lehrkräfte-Netzwerke mit gleichzeitiger Beteiligung von Akteur:innen aus Hochschulen stellen eine Option dar, einen solchen Austausch zu ermöglichen. Mit dem Forschungsvorhaben wird der Frage nachgegangen, wie geeignete Rahmenbedingungen für nachhaltig wirksame Lehrkräfte-Netzwerke aussehen können und ob etablierte Netzwerke ein gangbarer Weg sind, physikdidaktische Lehrinnovationen in der Schule erfolgreich zu implementieren. In einem ersten Schritt wurden dafür Lehrkräfte zu deren Nutzung von Netzwerken und dem Angebot eines regionalen Lehrkräfte-Netzwerks befragt, um Beweggründe und Hemmschwellen für eine Teilnahme auszumachen. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass zwar ein prinzipielles Interesse an solchen Netzwerken besteht, die tatsächliche Beteiligung daran aber gering ausfällt. Als Ursachen dafür werden vor allem Unkenntnis von Netzwerken und ein negativ wahrgenommenes Aufwand-Nutzen-Verhältnis bei limitierten zeitlichen Ressourcen identifiziert.
Einfluss von Eigenschaften der Innovation auf den Transfer in die Schulpraxis
Während einige wenige Innovationen aus der didaktischen Forschung und Entwicklung, großflächig und regelmäßig in der Schulpraxis eingesetzt werden, gestaltet sich die Implementation vieler anderer Innovationen in der Schulpraxis schwerer. In diesem Beitrag wird ein theoriebasierter Überblick darüber gegeben, wieso Implementation in unserem Bildungssystem häufig schwerfällt. Dazu werden sowohl allgemeine als auch schulspezifische Modellierungen von Implementation vorgestellt, diskutiert und auf Forschungsergebnisse aus der Schultransferforschung bezogen. Unter anderem wird dabei darauf eingegangen, welchen Einfluss die Wahrnehmung der Innovation auf den Transferprozess hat, welche Entscheidungsschritte Lehrkräfte bei der Implementation von Innovationen typischerweise durchlaufen und mit welchen Anforderungen sie sich konfrontiert sehen. Auf Basis dieser theoretischen Modellierungen wird anschließend ein Vorschlag gemacht, wie vorgegangen werden kann, um Implementationsunterstützung für Lehrkräfte anzubieten. Zuletzt wird diese Strategie auf die Implementation der Low-Cost Experimente zur Wellenoptik, die im Rahmen des O3Q-Projektes entwickelt wurden, übertragen.
Kompetenzrahmen zur Gestaltung von Experimentierphasen
Experimentieren im Physikunterricht kann das konzeptuelle Verständnis, die Aneignung naturwissenschaftlicher Methoden sowie die Entwicklung experimenteller Fähigkeiten auf Seiten der Lernenden fördern (Idris et al., 2022; Kreitler & Kreitler, 1974; Li et al., 2023). Hierfür müssen Experimentierphasen von der Lehrkraft geplant und gezielt in den Unterrichtskontext eingebettet werden. Dies erfordert spezifische Kompetenzen, welche bisher theoretisch jedoch erst wenig bis gar nicht ausdifferenziert wurden (von Aufschnaiter & Blömeke, 2010). Dabei sollte gerade das Wissen über jene Kompetenzen den Ausgangspunkt zur Gestaltung und Evaluation der Wirksamkeit von (fachdidaktischen) Lehrangeboten für angehende Physiklehrkräfte auf universitärer Ebene darstellen. Anhand eines KI-gestützten integrativen Literatur-Reviews (Tewordt & Stinken-Rösner, in Vorbereitung) wurde ein Erwartungsmodell mit operationalisierbaren (Teil-)Kompetenzen für die Gestaltung von Experimentierphasen im Physikunterricht formuliert. Dieses Erwartungsmodell wurde in Interviews von Expert:innen auf Vollständigkeit, sowie Passung überprüft und fehlende Inhalte ergänzt. Das Modell bildet eine Grundlage, um die Kompetenzentwicklung angehender Physiklehrkräfte im Studium zu beschreiben.
MINT-Unterricht mit digitalen Medien adaptiv gestalten
Der Umgang mit Heterogenität im Klassenzimmer stellt Lehrkräfte vor didaktische und pädagogische Herausforderungen. Adaptive Unterrichtsansätze gelten in diesem Zusammenhang als vielversprechende Möglichkeit im produktiven Umgang mit den unterschiedlichen (Lern-)Voraussetzungen der Schülerinnen und Schüler. Die Umsetzung adaptiven Unterrichts erfordert dabei besondere Kompetenzen von den Lehrkräften, die in entsprechenden Fortbildungen gefördert werden können. Zudem unterstützt die Entwicklung fachdidaktischer Unterrichtskonzepte und -materialien die Lehrkräfte bei der Umsetzung adaptiven Fachunterrichts. Der Beitrag zeigt anhand zweier Beispiele, wie die Umsetzung entsprechender Fortbildungsangebote und die Entwicklung adaptiver Unterrichtsmaterialien gelingen können. Dazu werden der Moodle-Selbstlernkurs „Adaptiver digital-gestützter Unterricht“ sowie adaptive Unterrichtsmaterialien für den Optik-Anfangsunterricht im Fach Physik vorgestellt. Der Selbstlernkurs und die Materialien sind im Verbundprojekt MINT-ProNeD als Teil des Kompetenzzentrums MINT im Kompetenzverbund lernen:digital entwickelt worden.
Online-Selbstlernkurs zu digitalen Medien im Physikunterricht
Die fortschreitende Digitalisierung bringt große Herausforderungen für die Aus- und Weiterbildung von Lehrkräften mit sich. Während angehende Lehrkräfte bereits von neuen Entwicklungen in der Ausbildung profitieren, sind viele aktive Lehrkräfte bislang nicht ausreichend auf die digitalen Möglichkeiten im Unterricht vorbereitet. Der Kompetenzverbund lernen:digital setzt genau hier an und unterstützt gezielt Lehrkräfte beim Erwerb digitalisierungsbezogener Kompetenzen. Im Rahmen des Verbundprojekts ComeMINT wurde unter anderem ein Online-Selbstlernkurs entwickelt, der sich mit dem Einsatz digitaler Medien im Physikunterricht befasst. Grundlage des Kurses bilden zum einen eine Bedürfnisanalyse unter praktizierenden Physiklehrkräften und zum anderen bereits bestehende Materialien aus der Lehrkräfteausbildung. Der Kurs vermittelt grundlegende Kompetenzen im Umgang mit physikspezifischen digitalen Medien, wie zum Beispiel digitaler Messwerterfassung, Augmented Reality oder Simulationen. In diesem Beitrag werden die Entwicklung und die Inhalte des Selbstlernkurses skizziert, sowie die nachhaltige Aufbereitung der Materialien zur Nachnutzung dargestellt.
Praxisorientiertes Fortbildungskonzept mit Selbstlerneinheiten zur Quantenphysik
Mit der Einführung neuer Bildungsstandards der KMK für die gymnasiale Oberstufe sind Themen der Quanten- und Atomphysik stärker in den Fokus des Physikunterrichts gerückt. Viele Lehrkräfte sehen sich dabei fachlich wie didaktisch herausgefordert. Um diesen Bedarf aufzugreifen, wurde ein praxisorientiertes Fortbildungskonzept im Blended-Learning-Format entwickelt. Herzstück ist ein strukturierter Moodle-Kurs mit interaktiven Selbstlerneinheiten, ergänzt durch Live-Online-Sitzungen und eine abschließende Präsenzveranstaltung. Die Inhalte orientieren sich an den aktuellen Standards und wurden in Pilotphasen mit Lehrkräften erprobt. Erste Rückmeldungen zeigen ein hohes Maß an Akzeptanz für das flexible und adaptive Fortbildungsformat.
Praxisorientiertes Fortbildungskonzept mit Selbstlerneinheiten zur Quantenphysik - Fokus auf die Wesenszüge der Quantenphysik und Analogiemodelle
Vertiefend zum vorgestellten Fortbildungskonzept [1] steht in diesem Artikel die Umsetzung der Erarbeitung der Wesenszüge der Quantenphysik, die über interaktive Selbstlernmodule kombiniert mit schulpraktischen Experimenten sowie Analogiemodellen vermittelt werden. Die hybride Herangehensweise mit digitalen Lerneinheiten und praxisnahen Präsenzphasen erlaubt es den Teilnehmenden ihren Lernprozess flexibel selbstzusteuern. Erste Rückmeldungen zeigen hohe Akzeptanz bei Lernenden; Lehrkräfte profitieren besonders von der Verzahnung vertrauter Inhalte mit neuen didaktischen Zugängen. Der multiperspektivische Ansatz stärkt konzeptionelles Verständnis und eröffnet vielfältige Zugänge zum komplexen Thema Quantenphysik. Weitere Vertiefungen zum Fortbildungskonzept finden sich in zusätzlichen Veröffentlichungen [2, 3].
Praxisorientiertes Fortbildungskonzept mit Selbstlerneinheiten zur Quantenphysik - Fokus auf Verschränkung und das quantenmechanische Weltbild
In diesem Beitrag wird ein Fortbildungskonzept für Physiklehrkräfte vorgestellt, das sich speziell auf den Themenbereich „Verschränkung“ und das „quantenmechanische Weltbild“ fokussiert. Aufbauend auf bestehenden Blended-Learning-Strukturen wurde ein neues Modul konzipiert, das grundlegende Begriffe wie Realität, Lokalität, Kausalität und Determinismus im Licht der Quantenphysik adressiert. Der Beitrag beschreibt die inhaltliche Struktur der Selbstlerneinheiten, ihre didaktische Umsetzung sowie exemplarische Anwendungen im Unterricht. Erste Rückmeldungen zeigen, dass insbesondere die methodisch geführte Gegenüberstellung von klassischem und quantenmechanischem Weltbild zu einem vertieften Verständnis beiträgt.
Wissenschaftsverständnis von Physiker:innen
Im Kasseler SFB ELCH (Sonderforschungsbereich Extremes Licht für die Analyse und Kontrolle von molekularer Chiralität) ist ein Transferprojekt eingebunden, das sich die Förderung des Wissenschaftsverständnisses von Lehrkräften zum Ziel gesetzt hat. Dabei werden drei zentrale Aspekte von Nature of Science (NOS) besonders berücksichtigt: (1) die Erkenntnisgewinnung in naturwissenschaftlicher Forschung, (2) das Zusammenspiel von Theorie und Experiment in der Physik und (3) die Zusammenarbeit und Kollaboration unter Physiker:innen. An der letzten Lehrkräftefortbildung im Projekt waren eine Theoretische Physikerin und ein Experimentalphysiker aktiv beteiligt. Neben dem Präsentieren von Einblicken in ihre jeweilige Forschung tauschten sie sich mit an der Fortbildung teilnehmenden Lehrkräften und untereinander aus. Im Beitrag wird rekonstruiert, wie sich das Wissenschaftsverständnis der beiden Physiker:innen im Verlauf der Fortbildung entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Lehrkräfte-Fortbildungen zu NOS auch für Forschende eine Gelegenheit bieten, ihre fachliche Praxis zu reflektieren und in didaktische Kontexte zu überführen.
Belastungserleben von Lehramtsstudierenden in der Studieneingangsphase Physik
Angesichts niedriger Einschreibungszahlen und hoher Studienabbruchquoten insbesondere in der Studieneingangsphase stellt sich vor dem Hintergrund des anhaltenden Mangels an qualifizierten MINT-Lehrkräften die Frage, wie die Studieneingangsphase gerade auch im Fach Physik adressatengerecht gestaltet werden kann, um langfristig den Studienerfolg der Lehramtsstudierenden zu sichern. Im Rahmen des Projekts „Belastungstrajektorie“ wurden daher an der Universität Göttingen sechs Gruppeninterviews mit 18 Physiklehramtsstudierenden durchgeführt, um aus ihrer Perspektive die für das Lehramtsstudium Physik spezifischen Belastungsquellen und Wünsche zu Unterstützungsmaßnahmen und studienstrukturellen Veränderungen qualitativ zu erfassen. Eine qualitative Inhaltsanalyse zeigt, dass das Belastungserleben von Physiklehramtsstudierenden besonders durch die empfundene mangelnde Passung zwischen Studium und Beruf sowie durch das hohe fachliche Anforderungsniveau geprägt ist. Gleichzeitig werden konkrete Wünsche wie die stärkere schulische Orientierung des Studiums und curriculare Differenzierungen in Abgrenzung zum Hauptfach-Studium formuliert, die Ansatzpunkte für die Optimierung der Lehrkräfteausbildung liefern.
Chunkingprozesse beim Lesen und Schreiben von Formeln
Chunking beschreibt eine kognitive Strategie, bei der Informationen in sinnhafte Einheiten, sogenannte Chunks zusammengefasst werden. Diese Strategie zur Prozessierung von Informationen ermöglicht eine Erweiterung der Kapazitäten des Arbeitsgedächtnisses, da mehr bits an Informationen verarbeitet werden können, was sich beispielsweise in einem schnelleren Erfassen eines Sinnzusammenhangs äußern kann. In unterschiedlichen Disziplinen konnte gezeigt werden, dass hierbei die Größe einzelner Chunks mit zunehmender Expertise anwächst und von der Länge und der Vertrautheit des Inhalts abhängt. Das in diesem Beitrag vorgestellte Konzept einer Studie stellt die Frage nach der Übertragbarkeit dieser Erkenntnisse auf den Kontext physikalischer Formeln. Dabei wird untersucht, ob und wie sich Chunking-Prozesse im Leseprozess (mittels Eye-Tracking) und im handschriftlichen Schreibprozess physikalischer Formeln äußert. Dieser Beitrag gibt einen Einblick in das Studiendesign und erste Analysen der handschriftlichen Reproduktionen der Proband:innen. Eine mit der allgemeinen und formelspezifischen Expertise ansteigende Fähigkeit größere Anteile der gezeigten Formeln zu reproduzieren kann hierbei als erster Indikator für das Auftreten von Chunking im Kontext von physikalischen Formeln ausgemacht werden.
Ein interdisziplinäres Seminar für Lehramtsstudierende der Naturwissenschaften
Im Projekt E2piMINT arbeiten Vertreter*innen aus den Fachdidaktiken Biologie, Chemie und Physik mit der Sonderpädagogik zusammen, um ein inklusives und interdisziplinäres MINT-Unterrichtskonzept für die Sekundarstufe I zu entwickeln, zu erproben und zu evaluieren. Dafür wurde jeweils ein Projekttag zum Thema „Farben“ und zum Thema „Kleben und Haften“ konzipiert, bei dem die Schüler*innen mit Experimentierkisten arbeiten und Experimente aus den drei Naturwissenschaften durchführen. Im Rahmen des Projekts wurde auch ein interdisziplinäres Seminar für Lehramtsstudierende entwickelt, das im Sommersemester 2024 stattfand. Das Seminar war offen für alle Lehramtsstudierenden der Naturwissenschaften (Gymnasium, Haupt- und Realschule, Förderschule). Die Studierenden wurden in Arbeitsgruppen eingeteilt, die jeweils eine Experimentierkiste nach dem vorgestellten Konzept entwickelten. Dabei hatten sie die Möglichkeit, sich mit Personen aus anderen naturwissenschaftlichen Fächern auszutauschen und die in die Kisten integrierten inklusiven Merkmale (Experimentieranleitungen in einfacher Sprache, Hilfekarten usw.) kennenzulernen. Während des Seminars nahmen sie auch an einer Lehrkräftefortbildung teil und erprobten die selbst entwickelten Experimentierkisten mit Schulklassen verschiedener Schulformen. Im Artikel werden das Seminar und die dabei entstandenen Materialien zum Thema „Kleben und Haften“ vorgestellt. Außerdem werden Vorteile, Grenzen und Verbesserungsmöglichkeiten des Seminars diskutiert.
Multi-repräsentationale Lernaufgaben zur Vektoranalysis in der Studieneingangsphase
Um Vektorfeldkonzepte wie Divergenz oder Rotation in physikalischen Kontexten anzuwenden, ist ein solides Verständnis ihrer Grundlagen erforderlich. Bisherige empirische Forschungsergebnisse bei Studierenden zeigten hierbei Schwierigkeiten auf, die sich z. B. auf die visuelle Interpretation von Vektorfelddiagrammen zurückführen lassen und in physikalische Anwendungsgebiete, z. B. die Elektrodynamik, transferieren. Im Einklang mit lerntheoretischen Erkenntnissen wird daher der Einsatz multipler Repräsentationen bei der Vermittlung dieser Konzepte empfohlen. Auf Basis empirischer Vorarbeiten wurden Lernaufgaben entwickelt, die einen visuellen Zugang zur Vektoranalysis anhand von multiplen Repräsentationen (MR) ermöglichen und Zeichenaktivitäten sowie ein interaktives Vektorfeld-Visualisierungswerkzeug integrieren. Die MR-Lernaufgaben wurden in die begleitenden Übungen einer Elektromagnetismus-Vorlesung an der Universität Göttingen implementiert (N = 81). Die Wirksamkeitsanalyse ergab höhere Lerneffekte der MR-Lernaufgaben im Vergleich zu traditionellen, rechenbasierten Aufgaben. Eine Implementation der Lernaufgaben in die begleitenden Übungen einer Vorlesung zu mathematischen Methoden der Physik an der RWTH Aachen zielt neben einer Replikation der Ergebnisse auf die Lernwirksamkeit der MR-Lernaufgaben bezüglich der Anwendung vektoranalytischer Konzepte in physikalischen Kontexten ab. Dieser Beitrag präsentiert die Konzeption entsprechender Aufgaben eines Performanztests zur Anwendung der Vektoranalysis in der Fluidmechanik, Elektro- sowie Magnetostatik.
Physikspezifische Betrachtungsweisen zur Förderung des Formelverständnisses
Ein tiefgreifendes Verständnis mathematischer Gleichungen und Formeln sowie der Umgang damit sind zentrale Ziele des Physikstudiums. Ein adäquater Umgang mit Formeln beinhaltet deren Analyse, kritische Bewertung und Überprüfung der Plausibilität vor dem Hintergrund des physikalischen Kontexts. Für die Physik typische Methoden und Denkweisen, die dabei häufig Anwendung finden, sind das Betrachten von Dimensionen, Kovariationen sowie von Spezial- und Grenzfällen. Obwohl derartige Betrachtungsweisen von Lehrenden als essenziell erachtet werden, werden diese in der Regel selten explizit in Lehrveranstaltungen vermittelt und eingeübt. Aus diesem Grund wurden bestehende Übungsaufgaben um die genannten Betrachtungsweisen angereichert und im begleitenden Übungsbetrieb einer Elektromagnetismus-Vorlesung für Zweitsemesterstudierende implementiert. Die eingesetzten Aufgaben zielten darauf ab, die kritische Reflexion von Formeln zu unterstützen und zu fördern. Die Studierenden sollten dafür ihre selbstständig hergeleiteten Formeln vor dem Hintergrund der physikalischen Situation überprüfen und eine Aussage über deren physikalische Plausibilität treffen. Die Wirksamkeit der Implementation dieser Aufgaben wurde im Rahmen einer begleitenden Interventionsstudie untersucht und evaluiert. Dieser Beitrag gibt einen Einblick in die Gestaltung und Konzeption der eingesetzten Übungsaufgaben, deren fachdidaktischen Hintergrund, sowie erste Ergebnisse der Bearbeitungen durch die Studierenden.
Tagung 31.03. bis 02.04.2025 in Göttingen