PhyDid - Physik und Didaktik in Schule und Hochschule (E-Journal, FU Berlin)
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Akustikexperimente für das Schülerlabor
Get PDFDas Themenfeld Akustik bietet vielfältige Möglichkeiten, um im Schulunterricht an die Alltagswelt der Schülerinnen und Schüler anzuknüpfen. Schülerzentrierte Experimente zum Thema können innerhalb der Schule jedoch nur selten durchgeführt werden, da mehrere Räume zur Verfügung stehen müssten, um gegenseitige Störungen zu vermeiden. Aus diesem Grund bietet sich der Besuch eines Schülerlabors an. Dieser Artikel stellt das Konzept und einige Beispielversuche einer Experimentierreihe vor, die für das Schülerlabor Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt wurden. Die differenzierte Struktur der Reihe soll die Nachfrage verschiedener Schulformen der Umgebung abdecken. Insbesondere zeichnen sich die Versuche jedoch durch die überfachliche Verknüpfung zur Biologie aus, indem verschiedene akustische Bezüge zur Tierwelt und zum menschlichen Körper eingebunden werden
MiReQu - Mixed Reality Lernumgebungen zur Förderung fachlicher Kompetenzentwicklung in den Quantentechnologien
Get PDFIn der Quantenoptik existieren Lehrangebote mit Einzelphotonenquellen, die zentrale Konzepte der Quantenphysik wie Verschränkung für Lernende im Experiment erfahrbar machen sollen. Die theoretische Modellierung abstrakter Konzepte und deren Interpretation bei der Anwendung auf das reale Experiment stellen hierbei jedoch eine Herausforderung für Lernende dar. Daher stellt sich bei quantenoptischen Experimenten aus didaktischer Sicht in besonderem Maße die Frage nach Gestaltungsprinzipien, die einen integrativen Umgang mit Repräsentationen auf verschiedenen Darstellungsebenen ermöglichen und die Handlungsebene einbeziehen. Im Projekt MiReQu soll erstmals geklärt werden, ob und wie die Lücke zwischen experimenteller und abstrakter Modellebene durch integrativen Einsatz von Mixed Reality Lernumgebungen im Kontext von Praktikumsversuchen zu verschränkten Photonen verkleinert werden kann. Schwerpunkte bilden die Entwicklung passgenauer virtueller Erkenntnisinstrumente und die empirische Untersuchung von erweiterten Gestaltungsprinzipien des multimedialen Lernens
Von Schnee- und Elektronenlawinen: Entwicklung eines Erklärvideos zu Einzelphotonendetektoren
Get PDFAnalogiebildung ist ein methodisches Werkzeug zur Förderung naturwissenschaftlicher Lernprozesse. Für das Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wurde zur Vermittlung des Lernbereichs Einzelphotonendetektoren eine Analogie erarbeitet. Die Funktionsweise der Einzelphotonendetektoren wird dabei mit dem Entstehen und Abgehen von Schneelawinen verglichen. Mittels eines für die Vermittlung dieser Analogie konzipierten Erklärvideos werden die Schülerinnen und Schülern im Rahmen einer Unterrichtssequenz schrittweise durch die funktionalen Zusammenhänge und Entsprechungen geführt. Die Akzeptanz der Analogie als Lernhilfe wurde in Akzeptanzbefragungen mit Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe evaluiert
Quantenmechanische Analyse von Massen in ihrem eigenen Gravitationsfeld
Get PDFDie Position einer Masse kann gemessen werden und unterliegt Gesetzmäßigkeiten auf der Basis von grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Materie. Bei Objekten mit hohen Dichten ist dabei die Gravitation dominant. In der Quantenmechanik sind Messwerte jedoch nach der Heisenbergschen Unschärferelation in Verbindung mit entsprechend komplementären Eigenschaften, wie Ort und Impuls es sind, nicht exakt zu ermitteln. Somit können Objekte, anders als in der klassischen Mechanik üblich und oft auch ausreichend, für eine exakte Betrachtung nicht als Massenpunkt angesehen werden. Sie haben vielmehr eine Massenverteilung. In diesem Projekt wird nun das Gravitationspotenzial eines Teilchens in einem 3dimensionalen Raum unter Beachtung solch einer Massenverteilung numerisch berechnet. Dazu wird eine selbst entwickelte Computersimulation verwendet. Des Weiteren werden Eigenschaften dieses Potenzials wie auch der Wellenfunktion des Teilchens untersucht
Inhaltsvalidität eines Testinstruments zur Erfassung deklarativen Wissens zur Quantenoptik
Get PDFIn der empirischen Unterrichtsforschung wird im Kontext von Testentwicklung oft von der Validierung eines Testinstruments gesprochen. Die Debatte über das Testgütekriterium Validität führte zu einer Verschiebung der Auffassung von Validität. Heute ist weniger von der Validität als Eigenschaft eines Tests die Rede. Vielmehr steht eine valide Testwertinterpretation im Zentrum der Sicherung von Testqualität. Dass ein Testverfahren valide Testwertinterpretation erlaubt, muss argumentativ abgeleitet werden. Die erforderlichen Argumentationsstränge sind dabei nicht standardisierbar. Insbesondere für Forschungsbereiche, in denen es nur wenig belastbare theoretische Vorarbeiten gibt, birgt das Hürden. Hier setzt dieser Artikel an: anhand eines „best-practice“-Beispiels aus der Didaktik der Quantenphysik wird aufgezeigt, wie ein solcher argumentativer Prozess methodisch erfolgen kann. Zunächst wird der Bedarf einer Neuentwicklung eines Testinstruments für die summative Evaluation eines Unterrichtskonzepts zur Quantenoptik begründet. Die Testentwicklung wird beschrieben. Inwiefern eine valide Testwertinterpretation möglich ist, wird argumentativ abgeleitet: Die Ergebnisse von einer Studie zum Lauten Denkens, sowie einer Expertenbefragung werden mit Ergebnissen einer quantitativen Pilotstudie kombiniert
Fixed und Growth Mindset: Selbstbilder von Schüler*innen in Physik
Get PDFKann jede*r Physik lernen? Hat man selbst Einfluss darauf oder benötigt man für Physik eine besondere Begabung? Nach Dweck ist die Antwort, die jemand auf diese und ähnliche Fragen gibt, abhängig vom Mindset oder Selbstbild dieser Person. Menschen mit dem "Fixed Mindset" sehen Begabung als Grundlage für (Lern-)Erfolge, Menschen mit dem „Growth Mindset“ verstehen das eigene Potenzial nicht durch Begabung determiniert, sondern stets entwickelbar. Das Mindset bildet die Basis für Denk- und Handlungsmuster, davon abhängig werden also beispielsweise Erfolgserlebnisse unterschiedlich attribuiert und Herausforderungen werden entweder gemieden oder als Lerngelegenheit wahrgenommen. Der Fokus der Mindset-Theorie liegt jedoch auf der Veränderbarkeit des individuellen Mindsets, so dass mit geeigneten Interventionen das Growth Mindset und damit eine lernförderliche Haltung gestärkt werden kann. Im aktuellen Forschungsvorhaben wurde ein Fragebogen entwickelt und erprobt, um das Mindset von Schüler*innen im Physikunterricht zu erheben. In einer Querschnittsstudie wird damit die Mindset-Verteilung in verschiedenen Jahrgangsstufen untersucht und mögliche Korrelationen des physikbezogenen Mindsets zu äußeren Gegebenheiten (z.B. Geschlecht und Schulart) identifiziert. Es werden das Erhebungsinstrument und erste Ergebnisse der Querschnittserhebung vorgestellt
Empirisch gestützte Entwicklung von Lerneinheiten zum Umgang mit Multimetern
Get PDFIm Rahmen der Plattform FLexKom werden an der RWTH Aachen University Unterrichtsmaterialien zum Fördern und Lernen experimenteller Kompetenzen entwickelt. Dabei wurden auch zwei Module konzipiert, die den Umgang mit Multimetern thematisieren. Um einen detaillierten Einblick in die diesbezüglichen Fähigkeiten von Schülerinnen und Schülern und typische Schwierigkeiten bei der Nutzung von Multimetern zu erlangen, wurden umfangreiche Daten aus virtuellen Experimenten zu elektrischen Schaltungen analysiert. Diese Daten stammen aus dem Test zur Messung experimenteller Kompetenz in Large Scale Assessments (MeK-LSA) von H. Theyßen et al., in dem der Aufbau eines Experiments eine von acht getesteten Kompetenzen ist. Mittels 101 Testdatensätzen konnten verschiedene Fehler im Umgang mit Multimetern ausfindig gemacht werden, die gehäuft bei den Schülerinnen und Schülern aufgetreten sind. Diese Ergebnisse bildeten die Grundlage für die Entwicklung von zwei Modulen, in denen separat darauf fokussiert wird, wie Ampere- und Voltmeter in einen elektrischen Schaltkreis integriert bzw. eingestellt werden müssen. Neben den Ergebnissen der Analyse der MeK-LSA-Daten werden auch die konzipierten Module mit ihren Experimentieraufgaben und erste Ergebnisse ihrer Evaluierung vorgestellt
Interaktive und aktivierende Lehrkonzepte in der Theoretischen Physik
Get PDFIn den letzten Jahrzehnten wurden viele interaktive sowie aktivierende Lehrkonzepte für den Schulunterricht oder für universitäre Einführungsvorlesungen in der Physik konzipiert und etabliert. Eine Verbesserung des Lernerfolgs bei Schüler*innen, bzw. bei Studierenden mithilfe solcher Lehrkonzepte ist hinreichend belegt. In fortgeschritteneren Themenfeldern wie der Theoretischen Physik in den Gebieten Mechanik, Quantenmechanik, Elektrodynamik, Thermodynamik und der statistischen Physik gibt es jedoch im deutschsprachigen Raum noch kaum konkrete Umsetzungen dieser Konzepte. Wir beschreiben in diesem Artikel Beispiele, wie interaktive und aktivierende Lehrkonzepte in Universitätsvorlesungen zur Theoretischen Physik mit einem hohen mathematischen Anteil aufgebaut und angewendet werden können und möchten alle Dozierenden ermutigen, diese Konzepte in eigenen Vorlesungen ebenfalls einzubauen. Die vorgestellten Beispiele werden seit dem Wintersemester 2018/19 in einem Seminar begleitend zur Vorlesung für Theoretische Physik für das gymnasiale Lehramt erprobt und weiterentwickelt. Diese Vorlesung hat die oben genannten inhaltlichen Schwerpunkte Mechanik, Quantenmechanik, Elektrodynamik, Thermodynamik und statistische Physik. Im Seminar werden die neuen Konzepte folglich in diesem Themenspektrum umgesetzt
Entfernungsbestimmung mit der Cepheiden-Methode am Beispiel des Sternhaufens M5
Get PDFDie Messung der Entfernungen zu Planeten, Sternen und Galaxien ist gleichzeitig fundamental und schwierig. Im Bereich von einigen Hundert bis zu vielen Tausend Lichtjahren hat sich in den letzten Jahrzehnten die Cepheiden-Methode etabliert. Diese nutzt aus, dass es für eine bestimmte Klasse von veränderlichen Sternen, den Cepheiden, einen Zusammenhang zwischen der relativ leicht messbaren Periode der Helligkeitsschwankungen und der absoluten Helligkeit gibt. Misst man die Periode und gleichzeitig auch die scheinbare Helligkeit des Sterns, so kann man sofort den Abstand zur Erde ausrechnen. Die Entfernung des Kugelsternhaufens M5 kann man anhand des veränderlichen Sterns V42 mit einem kleineren Teleskop und einfacher Datenauswertung auf etwa 10% genau bestimmen. Diese Distanzmessung eignet sich gut für ein schulisches oder universitäres Astronomieprojekt.
Virtuelle Sektormodelle (ViSeMo)
Get PDFTrotz der weit verbreiteten Faszination für die Allgemeine Relativitätstheorie hat diese noch kaum Einzug in die deutsche und internationale Schullandschaft finden können. Erklärungen, die häufig im populärwissenschaftlichen Bereich gegeben werden, mögen ein breiteres Verständnis des Themas fördern, sind jedoch oft nicht so präzise, wie es für ein schulisches Umfeld erforderlich ist. Um diesem Defizit zu begegnen, verwenden wir einen auf sogenannten Sektormodellen basierenden Zugang, mit dem die Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ohne höhere Mathematik vermittelt werden können. Das vorgestellte Projekt ergänzt bestehende Arbeiten um eine neue digitale Realisierung, die einen schnelleren, ortsunabhängigen Zugriff auf eine virtuelle Variante ermöglicht und das Modell um speziell entwickelte Methoden erweitert