Dossier

Lehre

Physikdidaktik ist die Lehre vom Lehren und Lernen physikalischer Inhalte, etwa mithilfe von Schülerlaboren, Just-in-Time-Teaching oder Peer Instruction. Die Artikel aus der Rubrik Lehre stellen neue Lehr- und Lernmethoden vor. (Bild: AdobeStock / Gorodenkoff)

Articles

Robert Kellner und Silke Stanzel
07 / 2022 Seite 35
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Vorher lesen statt vorgelesen

Just-in-Time-Teaching ist eine Lehrmethode, bei der ein Teil des Wissenserwerbs in Vorbereitung einer Lehrveranstaltung vorausgeht. Online-Tests offenbaren hierbei den aktuellen Lernstand und regen die kritische Ausein­andersetzung mit Fachthemen und dem eigenen Studierverhalten an. Die Ergebnisse dieser Tests erlauben es, den Unterricht auf die Bedürfnisse der Studierenden dynamisch anzupassen und zeitliche Freiräume für weitere aktivierende Lehrmethoden zu eröffnen.

Just-in-Time-Teaching (JiTT) ist eine besondere Form des Blended Learnings, also der Verknüpfung von Präsenzlehre und E-Learning. Die Methode verbindet Phasen des Eigenstudiums effektiv mit Präsenzzeiten. Die Studierenden bekommen regelmäßig vor der Lehrveranstaltung einen Arbeitsauftrag mit Lernmaterialien, die sie bearbeiten sollen. Abschließend absolvieren sie einen Online-Test, bei dem verschiedene Frageformen (Multiple-Choice, Rechenaufgaben, offene Fragen) den aktuellen Lernstand der Studierenden zeigen, damit die Lehrenden die darauffolgende Präsenzphase „just in time“, also bedarfsgerecht, vorbereiten können. Themenschwerpunkte lassen sich passend setzen und Schwierigkeiten klären (Abb. 1) [1]. Die Vorbereitungsphase zielt darauf ab, Begriffsdefinitionen und einfache Zusammenhänge kennenzulernen, auf denen die Lehrveranstaltung aufbauen kann. Es geht nicht darum, den Themenbereich bereits komplett zu verstehen. (...)

 

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Cynthia E. Heiner und Günther Kurz
06 / 2022 Seite 35
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Wenn sprechen mehr bringt als zuhören

Die Hochschullehre ist ein wichtiger Forschungs­gegenstand, da empirische Daten helfen können, ihre Effektivität zu steigern [1]. Forschungsergebnisse aus dem nord­amerikanischen Raum sowie von deutschen Hochschulen belegen, dass interaktive Lernszenarien zum konzeptionellen Physik­verständnis mehr beitragen als traditionelle dozentenzentrierte Darbietungen. Die Art und Weise, mit der sich Studierende mit Fachkonzepten auseinandersetzen, trägt wesentlich zum Lernerfolg bei. Ein mögliches Lernszenario ist das Konzept „Peer Instruction“ (PI).

Eric Mazur entwickelte dieses Konzept in den 1990er-Jahren an der Harvard University [2 – 4]. Aus­löser dafür, seine Vorlesung radikal vom lehr- zum lernzen­trierten Unterricht zu ändern, waren Veröffent­lichungen von Ibrahim Abou Halloun und David Hestenes aus den Jahren 1985 und 1987 [5, 6]. Sie hatten den Test „Force Concept Inventory“ zu grundlegenden Konzepten der Newtonschen Mechanik entwickelt und gezeigt, wie wenig die Studierenden in der Physikvorlesung verstanden hatten. Aus Neugier setzte Mazur diesen konzeptionellen Test in seinen Ingenieur- und Physikstudiengängen ein. Sein Schlüsselerlebnis war folgende Frage eines Teilnehmers: „Professor Mazur, wie soll ich diese Fragen beantworten? So wie Sie es uns vorgestellt haben oder wie ich über diese Dinge wirklich denke?“ [4]. Dieses Zitat verdeutlicht, dass Studierende zwar die Inhalte der Physik lernen, deren physikalisches Weltbild mitunter aber häufig unverändert „vor-Newtonisch“ bleibt.

Die Verwendung qualitativer Fragen in späteren Klausuren bestätigte das Ergebnis, dass das konzeptionelle Verständnis der Studierenden bei traditioneller Lehre deutlich hinter der Fähigkeit, Rechenalgorithmen anzuwenden, zurückbleibt. Mazur erkannte dadurch, dass bloßes Zuhören in einer Vorlesung, die als Monolog vor einer passiven Hörerschaft gehalten wird, nicht ausreicht, um die intrinsische Schwierigkeit eines wissenschaftlichen Konzeptes zu verstehen. (...)

 

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Regina Gente
05 / 2022 Seite 24
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Modellierte Ausbreitung

Das Corona-Virus hat für einschneidende Veränderungen gesorgt, insbesondere für den Schullalltag. Nach langen Phasen von Distanzunterricht im Frühjahr 2020 wurde im Herbst 2020 das Augenmerk darauf gelegt, die Schülerinnen und Schüler für das Einhalten der Hygienemaßnahmen zu sensibilisieren, auf bevorstehende Maßnahmen vorzubereiten und deren Notwendigkeit verständlich zu vermitteln. Vor diesem Hintergrund ist der folgende Unterrichtsvorschlag entstanden.

Erprobt wurde der Unterrichtsvorschlag in den Jahrgängen 6, 9 und 10 sowie in den beiden Jahrgängen Q1 und Q3 der Qualifikationsphase der Oberstufe. Die Einheit erfordert etwa 60 bis 90 Minuten Unterrichtszeit, wobei in jüngeren Jahrgängen das Redebedürfnis und Mitteilungsbedürfnis der Schülerinnen und Schüler größer ist und der Zeitbedarf dadurch höher. Jugendliche in höheren Jahrgängen erkennen dagegen auch abstrakte Zusammenhänge schneller. Auch die verwendete Fachsprache sollte sich am Alter der Schülerinnen und Schüler orientieren.  Die wesentlichen Elemente der betrachteten Modelle sind jedoch in allen Jahrgangsstufen zu vermitteln.

Als Einstieg in das Thema diente der Ausschnitt aus einem Zeitungsartikel: „Statt nur zu überlegen, wie ein Alltag mit Corona aussehen kann, sollten wir das Virus weiter aktiv zurückdrängen, schreibt der Physiker Matthias F. Schneider. Das sei durchaus noch möglich. [...] Die vielleicht wichtigste Frage derzeit ist: Wann entwickelt sich aus einzelnen Neuinfektionen, die sich nachverfolgen lassen, ein unkontrollierbarer Corona-Ausbruch? Um Antworten darauf zu finden, stellen sich Physikerinnen und Physiker die Situation als eine Art Phasenübergang (oder Perkola­tionsübergang) vor. Was bedeutet das?“ (...)

 

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Martin Hopf, Horst Schecker und Thomas Wilhelm
03 / 2022 Seite 31
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So wie immer oder ganz anders?

Unterrichtskonzeptionen sind ausgearbeitete Entwürfe für die inhaltliche Gestaltung des Physikunterrichts in der Schule. Verblüffend ist es, wie unterschiedlich Physik­unterricht zu einem Thema konzipiert, die Teilthemen angeordnet und welche Erklärungsansätze und Visualisierungen verwendet werden können.

Warum beginnt der Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe eigentlich fast immer mit Kine­matik und Dynamik? Und wieso erfolgt der Einstieg in die Elektrizitätslehre meistens über die Stromstärke statt über das Potential und die Spannung? Wenn man ein wenig über diese Fragen nachdenkt, stellt sich schnell heraus, dass es nicht wirklich zwingende Argumente für dieses Vorgehen gibt. Ebenso wäre es möglich, nicht mit der Mechanik, sondern mit einer Vertiefung der Energielehre in den Physikunterricht der Oberstufe einzusteigen, dabei auf grundlegendem Wissen aus der Mittelstufe aufzubauen und zunächst mit vergleichsweise sparsamen mathematischen Mitteln zu arbeiten. Genauso wichtig wie die Reihenfolge der einzelnen Themen ist es, über ihre inhaltliche Gestaltung nachzudenken. Überlegungen dazu, wie sich die jeweils zentralen physikalischen Größen konzeptualisieren lassen, welche Teilthemen besonders wichtig sind und in welcher Reihenfolge welche Aspekte vorkommen sollten, gehören unabdingbar zur Unterrichtsplanung. Dass solche Überlegungen zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, zeigt sich schnell beim Vergleich verschiedener Lehrbücher. Die Annahme, dass die Reihenfolge physikalischer Themen sich zwangsläufig sachlogisch ergibt und die physikalischen Grundkonzepte in einer ganz bestimmten Art und Weise einzuführen sind – beispielsweise so, wie man es selbst als Schülerin oder Schüler einmal erfahren hat –, stellt sich als irrig heraus. Es geht auch anders. (...)

 

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Albert Teichrew und Roger Erb
02 / 2022 Seite 25
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Dynamisch modelliert

Experimente erfüllen im Physikunterricht eine wichtige Funktion. Sie können ein Phänomen anschaulich zeigen, zum Handeln motivieren oder helfen, eine Hypothese zu überprüfen. Für die Erkenntnis­gewinnung ist der letzte Punkt entscheidend. Hierzu gilt es vorab, eine Fragestellung und eine Hypothese zu generieren. Im Idealfall machen die Schülerinnen und Schüler selbst Annahmen und überprüfen sie. Sobald es aber um mehr als eine einfache Entscheidung zum qualitativen Ausgang eines Experiments geht, ist eine theoriegeleitete, mathematische Modellierung des Phänomens notwendig.

Für eine Reihe von Themen ist das mathematische Modellieren eines physikalischen Phänomens so aufwändig, dass im Physikunterricht nicht im Vorfeld modelliert, sondern im Nachgang eines Experiments ein bestimmter Befund mit physikalischen Gesetzen oder Prinzipien erklärt wird. Im ersten Moment stellen solche Erklärungen zufrieden, weil sie eine plausible fachliche Begründung liefern, die über die reine Beobachtung oder den vorherigen Kenntnisstand hinausgeht. Allerdings werden dieselben physikalischen Sachverhalte im Laufe der Schulzeit mehrfach aufgegriffen – mit zunehmendem Komplexitätsgrad. So wird das Fallen eines Apfels vom Baum vorläufig mit seiner Schwere in Verbindung gebracht, später mit der Gewichtskraft und schließlich mit der Gravitationswechselwirkung oder sogar mit der Idee einer gekrümmten Raumzeit innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Somit gibt es für viele Sachverhalte unterschiedliche Beschreibungen, die sich z. B. in formalen Gesichtspunkten oder ihrer Genauigkeit und Komplexität unterscheiden. Erkenntnistheoretisch ist die Rede von verschiedenen natur­wissenschaftlichen Modellen als Repräsentanten eines Phänomens. Keines dieser Modelle ist allerdings eine vollständige Erklärung, sondern lediglich ein möglicher Weg, das Phänomen greifbar zu machen und es innerhalb gewisser Grenzen zu verstehen. Verstehen im physikalischen Sinne bedeutet, eine Beobachtung einem bekannten physikalischen Phänomen zuzuordnen und mit einem Modell auf eine mehr oder weniger komplexe Art und Weise zu beschreiben. Für ein besseres Verständnis der Naturwissenschaften sollten die im Unterricht oder Studium kennengelernten Darstellungen, Fachbegriffe und formulierten Zusammenhänge stets als Modelle – also mögliche Beschreibungen physikalischer Sachverhalte, die sich in Experimenten bewährt haben – aufgefasst werden. Vor allem in Zeiten vermehrter Wissenschaftsskepsis spielt eine solche Reflexion über den Erkenntnisprozess und die Glaubwürdigkeit wissenschaftlichen Wissens im Unterricht eine große Rolle [1]. (...)

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Burkhard Priemer, Ilka Parchmann und Jochen Kuhn
10 / 2021 Seite 48
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Lehren und Lernen im Labor

Schülerlabore bieten als außerschulische Bildungseinrichtungen jungen Menschen Projekte mit einem hohen Anteil an Eigenaktivitäten wie dem Experimentieren und damit Einblicke in Inhalte und Vorgehensweisen von Wissenschaften. Sie erfüllen damit einen wichtigen Teil bei der Vermittlung von Wissen über Wissenschaft.

Viele Hochschulen bieten durch ihre Schülerlabore auch Wissenschaftskommunikation an – eine Kernaufgabe von Universitäten [1, 2]. Damit nehmen sie neben der wissenschaftlichen Forschung, der Bereitstellung von Bildungsangeboten für Studierende sowie der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses eine wichtige gesellschaftliche Verantwortung wahr. Die Hochschulen betreiben Wissenschaftskommunikation und transportieren dadurch Wissen in die Gesellschaft. Schülerlabore können dazu einen entscheidenden Beitrag leisten. Sie bieten nicht nur vielfältige Projekte für Schüler:innen an, sondern sind darüber hinaus ein Kanal der Wissenschaftskommunikation. Diese Wissensweitergabe versteht sich zum einen als Wissen über Forschung und zum anderen als Wissen über Lehre.
Eine Aufgabe der Fachdidaktik besteht darin, tragfähige und nachweislich wirksame Konzepte zu entwickeln, um Wissen zu gewinnen und Kompetenzen zu erwerben. Im weitesten Sinne gehört auch die Wissenskommunikation dazu. In Deutschland haben die naturwissenschaftlichen Fachdidaktiken gerade erst begonnen, die Wissenschaftskommunikation als eigenes Aufgabenfeld zu erschließen.
International hat sich dagegen bereits vor einiger Zeit etabliert, dass eine stärkere Anbindung an Forschung zu Wissenskommunikation und Fachdidaktik einen Mehrwert für beide Blickwinkel bietet [3].
Die Ziele etwa der Entwicklung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung (Scientific Literacy) fokussieren in der Schule stärker auf das systematische Lernen und auf Anschlussfähigkeit erworbenen Wissens zwischen Fächern und Jahrgangsstufen. Die Wissenschaftskommunikation zielt dagegen darauf ab, Wissen aus der Forschung für die Allgemeinheit bereitzustellen. Dies führt zur Übernahme von Verantwortung und Befähigung zur gesellschaftlichen Teilhabe, etwa in Fragen des Klimaschutzes. Durch die Verbindung beider Bereiche lassen sich Ziele gemeinsam erreichen und ein Umfeld erschließen, um sich mit Themen an Schnittstellen von Wissenschaft und Gesellschaft zu beschäftigen. Themenfelder, die gesellschaftliche und naturwissenschaftliche Relevanz besitzen (Socio-Scientific Issues), können das schulische Lernen mit dem persönlichen Umfeld der Kinder und Jugendlichen verbinden, beispielsweise Energie, Klima und Umwelt. Die vielfältigen Angebote reichen von KinderUnis bis zu Schülerlaboren. (...)

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Rainer Müller, Franziska Greinert, Malte S. Ubben und Stefan Heusler
08 / 2021 Seite 86
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Quantentechnologien im Lehrplan

Sollten Anwendungen von Quantentechnologien in das Schulcurriculum eingehen? Da sich dieses nur langsam ändert, kann es bei dieser Frage nicht darum gehen, bewährte Unterrichtskonzepte grundsätzlich infrage zu stellen, sondern darum, gute Brücken zu neuen Anwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

Im internationalen Vergleich hat Deutschland in Bezug auf die Quantenphysik in der Schule eine sehr gute Ausgangsposition. Hier gibt es jahrzehntelange Erfahrungen in den Schulen sowie fachdidaktische Forschung zu Schülervorstellungen und zur Wirksamkeit von Unterrichtskonzepten in der Quantenphysik. So haben sich die Lehrpläne in den meis­ten Bundesländern inzwischen über den historischen Zugang hinaus entwickelt. Das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Quantenobjekten und die statistische Deutung der Quantenphysik sind inzwischen meist Standard. Auch Begriffe wie Nichtlokalisierbarkeit von Quantenobjekten oder Komplementarität kommen vor allem in Leistungskursen zur Sprache.

Aber in vielen europäischen Ländern ist noch der rein historische Zugang verbreitet – wenn denn die Quantenphysik an den Schulen überhaupt ein Thema ist [1]. Dieser Zugang orientiert sich meist weniger an der tatsächlichen Ideengeschichte, sondern an einer Abfolge einiger historischer Experimente, die mit Schulmitteln nachvollziehbar sind – vom Photoeffekt über den Franck-Hertz-Versuch bis zur Elektronenbeugung. Angesichts der Bedeutung von Experimenten für den Erkenntnisfortschritt in der Physik erscheint das zunächst vernünftig. Die Fachdidaktik hat jedoch schon früh erkannt, dass im Fall der Quantenphysik Unterrichtskonzeptionen nötig sind, die darüber hinaus­gehen. Denn die Quantenphysik widerspricht in so hohem Maße unseren Denkgewohnheiten, dass die Lehrkräfte den Schülerinnen und Schülern weitergehende Denk- und Verständnisangebote machen müssen. Ein reflektierter Umgang mit den klassischen Modellvorstellungen sowie ein sorgfältiger Umgang mit der Sprache sind hierbei unerlässlich – denn unsere Alltagssprache eignet sich nur bedingt, um Quantenphänomene adäquat zu beschreiben. (...)

 

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Miral Shah, Byron Philhour, Sonia Tye, William Oakley, Neeru Khosla, Paul Schlummer und Daniel Laumann
07 / 2021 Seite 52
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Interaktiv im Physikunterricht

Reale Phänomene und die unmittelbare Wahrnehmung physikalischer Prinzipien stehen in einem Spannungsfeld zur abstrakten Modellierung und theoretischen Beschreibung der Physik. Sowohl Forschende als auch die Wissensvermittlung müssen Abstraktion und Konkre­tion zusammenführen. In der Lehre können interaktive Simulationen und virtuelle Lern­umgebungen eine Brücke zwischen dem Realen und dem Modellhaften bilden. Interaktive Simulationen ergänzen dabei reale Experimente und helfen, unsichtbare Effekte erlebbar zu machen.

Experimente stellen seit Anfang des 19. Jahrhunderts ein zentrales Unterrichtselement dar. Ihre Eigenschaften haben sich mit der Zeit jedoch verändert [1], zuletzt durch die Möglichkeit, digitale Medien vielfältig einzusetzen. Reale Experimente dienen u. a. dazu, Natur­phänomene oder alltagsrelevante Anwendungen darzustellen und zeichnen sich durch ein hohes Maß an Glaubwürdigkeit aus [2]. Studien zeigen, dass es lernförderlich ist, wenn Lehrkräfte und Lernende Experimente angemessen vor- und nachbereiten [3]. Dieser Einbettung kommt dabei auch die Aufgabe zu, experimentelle Erkenntnisse mithilfe eines physikalischen Modells zu analysieren und zu interpretieren. 
Um Experimente in den Unterricht einzubetten, bedarf es ergänzender Medien. Dabei stehen neben Schulbüchern, Arbeitsblättern oder dem Tafelanschrieb auch digitale Medien zur Verfügung. Während in den eher traditionellen und analogen Unterrichtsmedien primär statische und visuelle Repräsentationen, wie Texte, Formeln und Zeichnungen, zum Einsatz kommen, ermöglichen digitale Technologien je nach Medium auch den Einbezug dynamischer Visualisierungen, Töne oder auch interaktiver Inhalte. Digi­tale Medien vergrößern dabei nicht nur den Handlungsspielraum der Lehrkräfte. Weil sie das Sehen und Hören ansprechen, ergänzen sie den Unterricht auch aus kogni­tionspsychologischer Perspektive [4]. 
Reale Erfahrungen und modellbezogene Beschreibungen lassen sich mit interaktiven Simulationen besonders gut verbinden. Die Simulationen basieren auf Messdaten oder theoretischen Modellen realer Prozesse bzw. Phänomene. Sie beinhalten statische oder dynamische Visualisierungen sowie teilweise auditive Elemente. Den Nutzenden ermöglichen sie die Variation verschiedener Parameter und so die Untersuchung von Einflüssen auf den dargestellten Prozess – genau wie bei realen Experimenten. Psychologische Modelle beschreiben diese Form des Erkenntnisgewinns als dreistufigen Prozess aus Hypothesenbildung, experimenteller Prüfung und resultierender Schlussfolgerung [5]. (...)

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Peter Riegler und Christian Kautz
05 / 2021 Seite 43
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Physik der Hochschullehre

Die Physik ermöglicht Erkenntnisse in vielen Gebieten, die der instrumentell unterstützten Wahrnehmung zugänglich sind. Zu den Forschungsgebieten zählt mittlerweile auch das Lehren von Physik an Hochschulen. Dort gelang es in jüngerer Vergangenheit zu beschreiben und zu erklären, was beim Erlernen von Physik passiert und wo und warum Hürden für Studierende auftreten.

Physikerinnen und Physiker untersuchen und modellieren seit jeher Phänomene ihrer Umwelt. Seit einigen Jahrzehnten untersuchen sie zudem das Lernen und Lehren der Physik an Hochschulen. Die entsprechende Forschung findet vor allem in Nordamerika statt. Dort hat sich mit Physics Education Research ein Teilgebiet der Physik entwickelt, das in Deutschland als Forschungsgebiet eher unbeachtet ist, dessen Erkenntnisse aber allmählich auch hierzulande in der Hochschullehre Einzug halten – und das nicht nur in der Physik.

Ohne Zweifel haben viele Studierende Schwierigkeiten, Physik zu erlernen. Liegt die Ursache eher in individuellen Eigenschaften wie mangelnder Vorbildung, Fähigkeiten oder Begabung? Sind die Schwierigkeiten vor allem von jemand oder etwas anderem verursacht, also durch die Rahmenbedingungen an Hochschulen oder die Kompetenz der Lehrenden? Oder ist die Angelegenheit komplexer? Wenn ja, wie lässt sich diese Komplexität beschreiben – im Sinne Einsteins „so einfach wie möglich, aber nicht einfacher“?
Bei diesen Fragen geht es darum, ein Modell für ein beobachtbares Phänomen zu erstellen – eine vertraute Tätigkeit in der Physik. Nehmen wir als Beispiel den Vorgang, bei dem ein nach oben geworfener Gegenstand zunächst langsamer wird. Lässt sich dies eher durch eine Eigenschaft des Gegenstands erklären – etwa dass sein Impetus geringer wird? Wird der Gegenstand aufgrund einer einzigen Wechselwirkung langsamer – beispielsweise durch gravitative Wechselwirkung mit der Erde? Oder ist die Situa­tion komplexer, etwa weil der Gegenstand neben der Erde noch mit weiteren Objekten wechselwirkt? Wie lässt sich dieser Vorgang beschreiben? (...)

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Alexander Pusch und Stefan Heusler
05 / 2020 Seite 42
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3D-Druck im Physikunterricht

In vielen Berufsfeldern, Studiengängen und Ausbildungsfächern aus Design, Ingenieurwissenschaften und Medizintechnik ist 3D-Druck inzwischen selbstverständlicher Bestandteil. Auch in allgemeinbildenden Schulen in den USA oder England verbreitet sich das Thema mehr und mehr. Dieser Artikel soll anhand von Best-Practice-Beispielen einen Einblick in sinnvolle und kostengüns­tige Einsatzmöglichkeiten von 3D-Druck im (Physik-)Unterricht geben, um das Potenzial dieser Technologie aufzuzeigen.

Die Kernlehrpläne im Fach Physik in Deutschland sehen das Thema 3D-Druck (Infokasten) aktuell zwar nicht explizit vor, aber es hat mehrere Anknüpfungspunkte im modernen Schulunterricht. In den Naturwissenschaften ist der offensichtlichste die Herstellung von Experimentiermaterial sowie von haptischen Anschauungs- und Funktionsmodellen. Die Materialkosten sind meist selbst für schulische Maßstäbe sehr gering. So lassen sich oftmals ganze Klassensätze herstellen, um verschiedene Themen und Experimente aus dem Lehrplan abzudecken. Im Internet finden sich viele 3D-Dateien zu unterschiedlichen Themenbereichen – vor allem aus der Mathematik und den Naturwissenschaften –, die meist recht einfach zu drucken sind.

Indem die Lernenden 3D-Objekte z. B. nach Schritt-für-Schritt-Anleitung erstellen, variieren und selbst ausdrucken sowie für Experimente verwenden, können sie neben fachlichen Kompetenzen, Experimentier- und Problemlösefähigkeiten auch Kenntnisse im Umgang mit digitalen Technologien erwerben, die für sehr viele Berufsfelder von Bedeutung sind. Hierzu gehören der Umgang mit komplexen Computerprogrammen, die Programmierung von Maschinen oder die Planung von Prozessen. (...)

 

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Pascal Klein, Andreas Müller, Sebastian Becker und Jochen Kuhn
03 / 2020 Seite 47
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Mobile Minilabore zum Lernen

Smartphones und andere mobile Geräte eignen sich als praktikable und leistungsfähige Experimentiermittel für Schule und Hochschule. Kontrollierte empirische Studien geben darüber hinaus Aufschluss über ihre Wirksamkeit bezüglich Lernen und Motivation.

Smartphones und Tablets sind zu ständigen Begleitern im Alltag geworden. Neben der Möglichkeit zur Kommunikation besitzen sie zahlreiche interne Sensoren, um Beschleunigungen, Lichtintensitäten, akus­tische Frequenzen und andere physikalische Größen zu messen. Dadurch können sie als Experimentiermittel den experimentell-orientierten Physikunterricht in Schule und Hochschule bereichern. Die Verfügbarkeit und Mobilität der Geräte ermöglichen zudem Experimente in vielen Alltagssituationen und anderen Anwendungskontexten, beispielsweise Messungen von Lärm oder Beschleunigungen im Freizeitpark oder im Straßenverkehr. Diese Vorteile werden seit etwa zehn Jahren an Physiklehrkräfte und -dozenten kommuniziert, unter anderem durch die Kolumne „iPhysicsLab“ oder in Fachzeitschriften.1) Doch verbessert der Einsatz von Smartphones überhaupt das Lernen und die Motivation im Vergleich zu herkömmlichen Methoden?

Um diese Frage zu beantworten, werden in der fach­didaktischen Forschung experimentelle Konzepte unter Perspektive der Falsifizierbarkeit entworfen, die sich auf Theorien begründen. Eine experimentelle Manipula­tion erlaubt es dabei, die tatsächliche Wirkung neuartiger Ins­trumente auf Lernen und Motivation zu untersuchen. Das bedeutet, dass eine Versuchsgruppe mit den neuen Instrumenten arbeitet und die Wirkung gegenüber einer Kontrollgruppe verglichen wird, welche diese Instrumente nicht nutzt. Empirische Studien zum Einsatz von von Smartphones oder Tablets sind allerdings immer noch rar gesät und teils überraschend wenig belastbar, obwohl die Forschungsmethodik in den Fachdidaktiken in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat [1, 2]. Ausgehend von dieser Beobachtung haben wir in der Physikdidaktik-Gruppe der TU Kaiserslautern seit 2012 mehrere empirische Studien zum Einsatz von Smartphones als Experimentiermittel durchgeführt. Die Studien zielten darauf ab, theoriebasierte Hypothesen zu Motivations- und Lerneffekten durch kontrollierte Studiendesigns zu überprüfen, die den Standards hypothesenprüfender quantitativer Forschung genügen, d. h. Ergebnisse, Objektivität und Validität der Methoden müssen reproduzierbar sein. (...)

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Ilja Rückmann und Peter Schaller
06 / 2019 Seite 31

Neuen Experimenten auf der Spur

Nur innovative Experimente erlauben es, in der Schule und in Bachelor-Studiengängen ein modernes Bild der Physik und ihrer Rolle bei der Realisierung neuer Technologien zu vermitteln. Ziel der Lehrmittelkommission ist es, neue Lehrmittel oder Experimentideen, die an einzelnen Einrichtungen entstanden sind, der Allgemeinheit vorzustellen, zu diskutieren, auszuprobieren, weiterzuentwickeln und damit für alle nutzbar zu machen.

Experimente zielen darauf ab, Hypothesen zu bestätigen. Dies kann mitunter sehr lange dauern, wie die Nachweise des Higgs-Teilchens und der Gravitationswellen gezeigt haben. Experimentieren gilt es zu erlernen – und es erfordert viel Fleiß, Ausdauer, Kreativität, Planung und Objektivität. Die grundlegende experimentelle Ausbildung angehender Physiker findet in den physikalischen Praktika statt. Diese erlauben es, zahlreiche Lernziele zu erreichen sowie auch soziale Kompetenzen zu erlernen [1]. 

Die rasante Technologieentwicklung der letzten Jahrzehnte, nicht zuletzt auf Basis physikalischer Forschungs­ergebnisse und ihrer ingenieurtechnischen Umsetzung, muss Konsequenzen für die Gestaltung der Physikpraktika sowie des Physik- und Technikunterrichts haben. Die Studierenden möchten in den Praktika Technologien nutzen, die sie aus dem Alltag kennen, beispielsweise moderne Lichtquellen, Sensoren, Computer sowie Mikrocontroller oder Smartphones [2].

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Alexander Pusch
05 / 2019 Seite 26

Arduino im Physikunterricht

Ein Blick in Geräte mit Stecker oder Akku zeigt: Mikrocontroller verschiedenster Art sind weit verbreitet und bereits lange in unserem Alltag angekommen. Sie fallen uns zudem als „eingebettete Systeme“, beispielsweise in Kaffeemaschinen, Armbanduhren, Spielzeugen, im Auto oder im „Smart-Home“, oft kaum noch auf.

Mittels der gerade im Hobby- und Bildungsbereich populären Mikrocontroller wie dem Arduino oder dem Raspberry Pi lassen sich auf sehr günstige und transparente Art Messwerte verschiedenster Sensoren erfassen und weiterverarbeiten (Infokasten). Sie können dadurch einen wertvollen Beitrag zur computer­gestützten Messwerterfassung im modernen Physikunterricht liefern. Die dabei erworbenen Kenntnisse kommen auch anderen kreativen Projekten in Schule, Schülerforschungswettbewerben oder Freizeit zugute, z. B. der Robotik oder Heim­automation.
Vor dem Einsatz von Mikrocontrollern im Physik­unterricht müssen die (angehenden) Lehrkräfte und auch Schülerinnen und Schüler allerdings zunächst die Grund­lagen  erlernen. Dies ist leider – trotz vieler guter Dokumentationen und einer zu Beginn recht steilen Lernkurve – oft eine zunächst komplexe und unübersichtliche Aufgabe. Sie kann zuweilen auch durch unbekannte Programmiersprachen und Hardwarekomponenten sowie eine Vielzahl potenzieller Fehlerquellen abschreckend und frustrierend wirken.

Vor dem Hintergrund dieser Herausforderung soll dieser Beitrag das Potenzial des Einsatzes von Mikrocontrollern wie dem Arduino im Physikunterricht sowie mögliche Schwierigkeiten erläutern. Um die Grundlagen der Programmierung an einfachen Projekten wie Temperatur-, Lichtstärke- und Abstandsmessungen zu lernen, bietet sich ein mit Studierenden und Lehrkräften sowie Schülerinnen und Schülern erprobtes Konzept an. (...)

 

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Philipp Möhrke und Bernd-Uwe Runge
04 / 2019 Seite 42

Standardmäßig unsicher

Die Messunsicherheitsanalyse ist ein zu Unrecht unbeliebter Teil der Physikausbildung, den die Studierenden meist nicht ausreichend beherrschen. Der international anerkannte „Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen“ sowie moderne Lehrformate bieten jedoch einen guten Zugang zu diesem Thema.

Müssen wir wirklich noch eine Fehlerrechnung machen? Dies fragen die Studierenden in nahezu jedem physikalischen Praktikum. Die Fehlerrechnung oder nach aktueller Sprechweise die Mess­unsicherheitsanalyse ist nicht nur sprachlich sperrig, sondern auch unbeliebt. Die Messung gilt als interessant und verspricht neue Erkenntnisse. Die Messunsicherheits­analyse hingegen scheint langweilig, wenig spektakulär und letztendlich überflüssig. Die entscheidende Information, um die es ging, ist scheinbar bereits durch die Auswertung der Daten herausgekommen. Die angehängte Betrachtung der Genauigkeit des Ergebnisses empfinden die Studierenden eher als Entwertung der eigenen Arbeit.


 Dass bei der Berechnung eines Ergebnisses auch Überlegungen zu dessen Unsicherheit dazugehören, ist sicher allen Studierenden klar. Den zentralen Informationsgehalt und Nutzen dieser Angabe sehen aber nur wenige. So lassen sich Ergebnisse erst quantitativ vergleichen, wenn die Unsicherheit berücksichtigt wird. Denn ob zwei Ergebnisse gleich oder verschieden sind – oder wie wahrscheinlich es ist, dass zwei Ergebnisse übereinstimmen –, ist aus den Zahlenwerten allein nicht abzulesen. Aber gerade der Vergleich mit bekannten Ergebnissen oder den Vorhersagen von Modellen macht die Arbeit in der Physik aus. Hier entstehen neue Erkenntnisse. (...)

 

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Sebastian Staacks, Heidrun Heinke und Christoph Stampfer
11 / 2018 Seite 35

Smarte Experimente

In den meisten Physikstudiengängen bildet die Vorlesung zur Experimentalphysik die zentrale Einführung. Dabei stellen Studierende jedoch schnell fest, dass das „Experiment“ im Titel der Veranstaltung lediglich Demonstrationsversuchen geschuldet ist, sie aber nicht selbst experimentieren dürfen. Da es unmöglich ist, alle Studierenden mit Messgeräten auszustatten, schauen sie den Vorführungen passiv zu und bekommen erst in den physikalischen Praktika die Möglichkeit, selbst Versuche durchzuführen. Die eigenständige Experimentiererfahrung wird losgelöst vom Vorlesungsstoff gesammelt.

Eine Alternative bietet das Einbinden Smartphone-basierter Experimente [1, 2] in den Vorlesungs- und Übungsablauf. Nahezu alle Studierenden bringen heute in Form ihrer Smartphones eigene Messgeräte mit, die über zahlreiche Sensoren verfügen, welche die Mechanik breit abdecken. Je nach Modell gibt es Hellig­keits-, Magnetfeld-, Beschleunigungs- und Dreh­ratensensoren, Mikrofone, GPS sowie Luftdrucksensoren. Mikrofon und Beschleunigungssensor sind in jedem Gerät vorhanden. Die Verfügbarkeit anderer Sensoren hängt vom Modell ab, reicht aber meist aus, um in Gruppenarbeit alle Studierenden zu erreichen.
Ausgehend von dieser Beobachtung bekamen die Studierenden im Bachelorstudiengang Physik an der RWTH Aachen im Wintersemester 2016/17 experimentelle Aufgaben, die mit Smartphones sowie haushaltsüblichen Materialien durchzuführen waren. Für die Erfassung und Verarbeitung der Daten hatten sie eine eigens dafür an der RWTH Aachen entwickelte App zur Verfügung: phyphox [3]. Die Aufgaben waren Teil der Übungsaufgaben, die gleichzeitig Zulassungsvoraussetzung für die Klausur waren. Die Studierenden konnten auf freiwilliger Basis klassische Aufgaben durch Smartphone-Experimente ersetzen...

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Irene Neumann, Christoph Pigge und Aiso Heinze
07 / 2018 Seite 48

Aller Anfang ist schwer

2012 legte die Konferenz der Fachbereiche Physik Empfehlungen zum Umgang mit Mathematikkenntnissen von Studienanfängerinnen und Studienanfängern im Fach Physik vor. Damit gehörte sie zu den ersten Vertretungen der Hochschulseite, die konkret und konstruktiv auf die Problematik fehlender Mathematikkenntnisse am Studienbeginn reagierte. Auch wenn inzwischen weitere Empfehlungen und Anforderungskataloge vorliegen, fehlte bisher eine empirische Fundierung der von Hochschulseite erwarteten mathematischen Kenntnisse und Fähigkeiten zu Studienbeginn. Nun gab es dazu eine Delphi-Studie.

Mathematik spielt ohne Zweifel für die Physik, wie auch für andere MINT-Fächer, eine zentrale Rolle. Nahezu alle Hochschulen bieten mathematische Vor- oder Brückenkurse an [1], denn beim Übergang von der Schule in ein MINT-Studium berichten Hochschullehrende und Studierende nicht selten von fehlenden mathematischen Vorkenntnissen, die teilweise sogar einen Studienabbruch oder Studienfachwechsel zur Folge haben [2]. Die inhaltliche Ausrichtung der Vor- und Brückenkurse variiert jedoch teils stark, und auch wenn Anforderungskataloge von einzelnen Gruppen (z. B. cosh – cooperation schule:hochschule in Baden-Württemberg [3]; Konferenz der Fachbereiche Physik (KFP) [4]; European Society for Engineering Education SEFI [5]) einen gemeinsamen Kern erkennen lassen, sind sie nicht deckungsgleich. Beispielsweise beinhalten alle drei Kataloge mathematische Inhalte (wie das Bruchrechnen, Differenzieren oder Integrieren), anwendungsbezogene Lernvoraussetzungen (z. B. Modellieren) tauchen nur bei cosh und SEFI auf. SEFI geht außerdem auf Persönlichkeitsmerkmale ein. Ein gemeinsames Dokument, das die Erwartungen der Hochschulseite an MINT-Studienanfängerinnen und -anfänger beschreibt, lag jedoch bislang nicht vor. Offen war auch, ob es überhaupt eine gemeinsame Sicht zu den erwarteten mathematischen Lernvoraussetzungen gibt...

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Raimund Girwidz
06 / 2018 Seite 53

Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte

Mit neuen Medien lassen sich Fachinformationen schnell und vielfältig präsentieren. Wie dies lernwirksam zu nutzen ist, wird hier nicht ausführlich zu erklären sein. Zumindest ist es aber möglich, einige grundlegende Richtlinien und Lehr-Lern-Konzepte zusammenzufassen.

Sachverhalte lassen sich in verschiedenen Darstellungen präsentieren. Dabei kommen unter­schiedliche Aspekte zum Tragen. Multiple Repräsentationen stellen mehrere Darstellungsformen zusammen, z. B. Grafiken, Diagramme, Schaltskizzen oder Texte und Formeln. Sie verknüpfen verschiedene Ausdrucksmöglichkeiten und beleuchten damit einen Sachverhalt aus unterschiedlichen Perspektiven. Bei komplexen Themen sind multiple Repräsentationen daher ein wichtiges Hilfsmittel.

Die Theorie der dualen Codierung unterscheidet grob zwischen verbalen und bildhaften Darstellungen und Repräsentationssystemen [1], was aktuelle Modelle weiter präzisieren [2, 3]. Auch neurophysiologische Befunde belegen, dass bei der Verarbeitung von Bild und Sprache unterschiedliche Bereiche des Gehirns aktiv sind. Schon der Informationsfluss ist dabei prinzipiell verschieden: Sprache organisiert sequenziell – Wort für Wort und Satz für Satz. Bildhafte Darstellungen bieten dagegen mehrere Zusammenhänge simultan an, z. B. das Bild eines experimentellen Aufbaus, Moleküldarstellungen oder Diagramme von Messdaten.
(...)

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Jan-Philipp Burde und Thomas Wilhelm
05 / 2018 Seite 27

Einfache Stromkreise mit Potenzial

Ein wichtiges Teilgebiet der physik­didaktischen Forschung ist die Entwicklungsforschung. Ausgehend von bekannten Schülervorstellungen und Erfolgen bzw. Miss­erfolgen bisheriger Unterrichtsansätze geht es darum, neue Konzepte und Materialien für den Unterricht zu erarbeiten. Qualitative und quantitative Methoden dienen dazu, im realen Unterricht zu untersuchen, ob das neue Konzept zu einem höheren Lernerfolg führt. Das Beispiel des Elektronen­gasmodells soll zeigen, wie es damit gelungen ist, Lernenden ein deutlich besseres Verständnis einfacher Stromkreise zu vermitteln.

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

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

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Jürgen Miericke
03 / 2018 Seite 33

Physik aus der Kiste

Ein Fahrrad mit Anhänger und einer Holzkiste gefüllt mit einfachen Experimentiergeräten – das ist die „Mobile Physik-Kiste“. In Parks, Jugendeinrichtungen, Kindergärten und Schulen lässt sich damit ohne viel Vorbereitung zeigen, dass unser Alltag voll von Naturwissenschaften ist. Durch Experimente, bei denen die Zuschauer beteiligt werden, wird Physik erlebbar.

Als Physiklehrer am Hardenberg-Gymnasium in Fürth hatte ich vor fast 25 Jahren mit Schülern und Referendaren Experimentierstationen geplant, gebaut und im Gang vor den Physik­räumen ausgestellt. Schülerinnen und Schüler konnten sie selbst­bestimmt nutzen und physikalische Phänomene durch „Ergreifen“ auch „Begreifen“ [1]. Viele weitere spannende physikalische Phänomene kamen aber aufgrund möglicher Risiken bei der unbeaufsichtigten Nutzung für eine solche Ausstellung nicht infrage. So entstand 2002 die Idee zum „Versuch der Woche“, bei dem wir an jedem Dienstag in der ersten Pause spannende und auch spektakuläre physikalische Erscheinungen in wenigen Minuten im Physiksaal unterhaltsam in Szene setzten. Dieser motivierende Ansatz regte die Schülerinnen und Schüler sehr viel langfristiger dazu an, sich an ihre Beobachtungen zu erinnern und darüber mit intellektuellem Vergnügen und Neugier zu reflektieren als der normale Unterricht [2].

Nach meiner Pensionierung begann ich im Jahr 2007 das Projekt „Physik auf der Bühne“, bei dem ich zusammen mit fünf Lehrern der Fächer Musik, Deutsch, Sozial­kunde und Geschichte kleine Kunststücke aus Physik und Musik auf mehreren Bühnen inszenierte [3]. Das unterhaltsame Bühnen­programm führte Kinder und Jugendliche durch altersgerechte Darstellungen spielerisch an Natur­wissenschaften, speziell an Physik, heran. Teilweise durften die Kinder und Jugendlichen aktiv mithelfen. Einige Präsentationen blieben zauberhaft, die meisten über­raschenden Beob­achtungen erklärte der „Physiker“ jedoch verständlich (Abb.  1). (...)

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