Arbeitsgruppe Prof. Kuhn

iPhysicsLab - das Physik-Schülerlabor

Projektskizze
Schülerlabore, Science Center und andere außerschulische Lernorte stellen eine fachdidaktisch relevante und lernpsychologisch gut begründete Entwicklung mit großem „Boom“ in den letzten 10 Jahren im deutschsprachigen Raum dar. Dahinter steht die Intention, dem Abwärtstrend des Schülerinteresses in den MINT-Fächern entgegenzuwirken. Gesellschaftlich hofft man so auf die Erhöhung der Bereitschaft, MINT-Fächer zu studieren oder einen damit zusammenhängenden Beruf zu ergreifen. Lerntheoretische Grundlagen hierzu finden sich sowohl in der Interessenforschung, als auch in der Theorie des kontextorientierten und des situierten Lernens. Hieraus erschließen sich wesentliche Grundzüge vieler Schülerlabore, wie Authentizität oder Kontextorientierung

Was die Wirksamkeit von Schülerlaboren betrifft, so hat die empirische Forschung der vergangenen Jahre jedoch mehrheitlich nur kurzfristige Catch-Effekte auf Motivation und Interesse der Lernenden diagnostizieren können. Mögliche Auswirkungen auf den Lernerfolg wurden bisher nur in geringem Umfang untersucht. Um nachhaltige Hold-Effekte und damit eine mittel- bis langfristige Steigerung von Interesse und Motivation zu erzielen und darüber hinaus Effekte auf die Lernleistung zu bewirken, fordern nahezu alle derzeit vorliegenden Evaluationsstudien in ihren Forschungsergebnissen eine bessere Einbindung des außerschulischen Lernortes Schülerlabor in den regulären Physikunterricht der Schule. Aus diesem Grund fokussiert sich der Forschungsansatz des iPhysicsLab auf die Frage einer wirksamen Vor- und Nachbereitung von Schülerlaboren innerhalb des schulischen Physikunterrichtes.


Die Grundkonzeption

des iPhysicsLab ist modulartig angelegt. Im Zentrum eines jeden Themenmoduls steht die Experimentierphase im Schülerlabor an der Universität, für deren Vor- und Nachbereitung den Lehrkräften eigens konzipierte Materialien zur Verfügung gestellt werden. Sie sollen einerseits die Lernenden gezielt unterstützen, andererseits aber auch den Arbeitsaufwand seitens der betreuenden Lehrkraft auf ein Minimum reduzieren. Die besondere Qualität dieser Materialien liegt hierbei in der gezielten Vernetzung zwischen Vor-/Nachbereitung und Experimentierphase. Die Verbindung dieser drei Phasen zu einer zusammenhängenden Lerneinheit soll die Effektivität, aber auch die Nachhaltigkeit des Schülerlabors signifikant erhöhen. Langfristig sollen verschiedene Themenmodule auch verschiedene didaktische Konzepte bedienen, wie beispielsweise aufeinander aufbauende Mehrfachbesuche oder aber curricular valide, sowie extracurriculare Module.

Ziele/Forschungsfragen

  • Konzeption verschiedener Themenmodule samt begleitender Unterrichtsmaterialien zur Vor- und Nachbereitung sowie deren praktische Erprobung.
  • Empirische Untersuchung der Auswirkung vor- und nachbereitender Unterrichtseinheiten auf die Variablen Lernerfolg, Motivation und Interesse.
  • Empirische Untersuchung möglicher Effekte des Lernortes Schülerlabor auf die Variablen Lernerfolg, Motivation und Interesse.
  • Entwicklung der benötigten Testinstrumente

Inhalt/Beispiele

Das Schülerlabor befindet sich derzeit noch im Aufbau, allerdings sind etwa eine Handvoll Themenmodule bereits einsatzbereit und können von Schulklassen konstenlos gebucht werden. Anhand des Themenmodules „Dem Druck auf der Spur“ konnte eine erste Studie zur Untersuchung der oben genannten empirischen Forschungsfragen durchgeführt werden. Sie wird im Laufe des nächsten Jahres durch eine zweite Studie anhand des sich noch in der Konzeption befindlichen Themenmodules „iRadioactivity – Chancen & Risiken radioaktiver Strahlung“ ergänzt werden.


Beispiel „Dem Druck auf der Spur“: Arbeitsblatt und experimenteller Aufbau zur Hypothesenprüfung

 

Die praktische Umsetzung der genannten Kriterien soll nun am Beispiel des curricular validen Themenmodules „Dem Druck auf der Spur“ gezeigt werden. Hier besteht die Experimentierphase aus vier Experimenten, die als Stationenzirkel konzipiert sind und von den Lernenden in Zweiergruppen durchlaufen werden. Thematisch zielt das Modul auf die Themen Auftrieb, Hydrostatischer Druck sowie den äußeren Luftdruck ab. Abb. 1 zeigt exemplarisch den experimentellen Aufbau (Ganci, 2008) und das zugehörige Arbeitsblatt zu einem der durchzuführenden Experimente. Es erfüllt in mehrfacher Hinsicht den Grundgedanken der Vernetzung der Phasen. So bearbeiten die Lernenden Aufgabe 1 bereits in der vorbereitenden Unterrichtsstunde, was einerseits als Vorentlastung der durchaus komplexen Aufgabenstellung dient, andererseits aber auch erst die Notwendigkeit erzeugt überhaupt ein Schülerbor zu besuchen, da dort eben die experimentellen Mittel zu Hypothesenprüfung zur Verfügung stehen. Die Mathematisierung der behandelten physikalischen Inhalte geschieht in Form einer Hausaufgabe, deren Kontext ebenfalls auf den Inhalt des Zeitungsartikels abgestimmt ist. Somit sind alle drei Phasen miteinander verbunden und erscheinen als ein zusammenhängendes Konstrukt, dessen einzelne Bestandteile sinnvoll aufeinander aufbauen. Das bereits beschriebene Produkt ist in diesem Modul ein von den Lernenden selbst gebauter Kartesischer Taucher, den sie als physikalisches Spielzeug mit nach Hause nehmen dürfen.  

Untersuchungsdesign der Hauptstudie

Studiendesign zur quantitativen Erfassung der Hauptvariablen Motivation und Leistung. KG: Kontrollgruppe, TG: Treatmentgruppe, t0: Zeitpunkt der Kovariatentestung (bis zu einigen Wochen vor der Intervention), t1, t2, t3: Zeitpunkte der Testung der Hauptvariablen, bei t3 (nach einigen Wochen regulären Unterrichts) auch Testung des episodischen Gedächtnisses.

Die Studie findet in einem quasi-experimentellen Versuchs-Kontrollgruppendesign statt. Die einzelnen Treatmentgruppen unterscheiden sich dabei sowohl im Lernort, als auch in der Vor-/Nachbereitungsstunde. So führen die beiden Treatmentgruppen TG1 und TG2 die Selbstlern-Experimentierphase im Schülerlabor der Universität durch, allerdings nutzt nur TG1 die eigens entwickelten Materialien zur Vor-/Nachbereitung. Die Kontrollgruppe KG nutzt ebenfalls die Materialien zur Vor-/Nachbereitung, jedoch findet die Experimentierphase in der Schule statt. Zeitansatz und verwendete Experimentiermittel sind werden in allen drei Gruppen konstant gehalten.

Vor, während und nach der Intervention werden verschiedene Variablen erhoben. Es findet außerdem nach einigen Wochen ein „Follow-up“-Test statt, um mittel- und längerfristige Auswirkungen der Intervention überprüfen zu können.

Ausgewählte Veröffentlichungen


  • Gröber, S., Molz, A. & Kuhn, J. (2014). Using smartphones and tablet PCs for β--spectroscopy in an educational experimental setup. European Journal of Physics (EJP), 35, 6, 065001.**
  • Molz, A., Kuhn, J., Müller, A., (2014): „Dem Druck auf der Spur“ Lernen im Physik-Schülerlabor iPhysicsLab. Tagungsband der GDCP-Jahrestagung 2013 in München.
  • Molz, A., Hirth, M., Klein, P., Gröber, S., Kuhn, J., Müller, A. & Frübis, J. (2014). Experimente aus Optik und Kernphysik – Tablet PCs als Experimentiermittel im Oberstufenunterricht. Praxis der Naturwissenschaften: Physik in der Schule 63 (6), 33-35

Zuständigkeit Doktorand:

Alexander Molz (molz@physik.uni-kl.de)

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