Arbeitsgruppe Prof. Kuhn

physics.move

Experimentelle Übungsaufgaben zur Experimentalphysik 1 (Mechanik und Wärme)

 

Projektskizze
Die Quote an Studienabbrüchen in der Physik während den ersten Fachsemestern ist seit Jahren unverändert hoch (ca. 30 %). Als Ursache geben Studenten Schwierigkeiten mit dem anspruchsvollen Lerninhalt und Motivationsprobleme an. Das Projekt physics.move setzt in dieser Studieneingangsphase an und ergänzt den im Vergleich zur Schule anspruchsvolleren theoretischen Inhalt durch experimentelle Aktivitäten. Die Studenten erhalten in den bisher papier-basierten Übungen Gelegenheit die theoretischen Inhalte im Rahmen anwendungsorientierter Problemstellungen zu flexibilisieren.

 

Im Projekt werden videoexperiment-bezogene Aufgabenstellungen zur klassischen Experimentalphysik 1 konzipiert, die im Rahmen wöchentlicher traditioneller Übungsaufgaben eingesetzt werden. Konkret bedeutet dies, dass Studenten neben einer theoretischen Aufgabenstellung Videos von physikalischen Realexperimenten analysieren, um die erarbeiteten Theorien an qualitativen und quantitativen Messergebnissen zu prüfen. Diese Experimentalvideos können einerseits vorgegeben sein (VA-Aufgabe) oder müssen andererseits vom Studenten selbst entwickelt werden (mVA-Aufgabe). Letzteres beinhaltet auch die theoriegeleitete Planung und Durchführung eigener Freihandexperimente mit Alltagsmaterialien. Die Intervention führt die Studenten an einfache Mess- und Analysemethoden heran und bereit so auf das nachfolgende Laborpraktikum (Anfängerpraktikum 1) vor.

 

Ziele/Forschungsfragen

  • Entwicklung und Implementation experimenteller Übungsaufgaben für die klassische Mechanik (VA und mVA Aufgaben, siehe unten)
  • Untersuchung der Wirksamkeit dieser Aufgaben auf folgende Konstrukte:
    • Motivation (akademisches Selbstkonzept, Interesse, Autonomie)
      • Authentizität der Aufgaben (faktisch, persönlich und disziplinär)
        • Epistemische Neugierde
          • Konzeptionelles Verständnis der Mechanik
            • Repräsentationskompetenz
              • Experimentelle Kompetenz

             

            Inhalte/Beispiele
            Traditionelle, wohl etablierte Übungsaufgaben werden um experimentelle Anteile ergänzt:

            • VA-Aufgabe: In sog. Videoanalyse-Aufgaben erhalten Studierende ein zur Aufgabenstellung passendes Experimentiervideo, welches einen physikalischen Bewegungsprozess zeigt. Die Studenten erheben aus diesem Video Messdaten, identifizieren relevante Größen und überprüfen die zu Grunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Für Aufgabenbeispiele siehe Kleinet al. (2014d).
            • mVA-Aufgabe: In sog. mobilen Videoanalyse-Aufgaben arbeiten Studierende in Zweiergruppen, um einfache Freihandexperimente mit Alltagsmaterialien durchzuführen, zu videographieren und auszuwerten.

            Die Übungsaufgaben werden wöchentlich gelöst und sind für die Zulassung zur Klausur verpflichtend. Für beide Aufgabentypen werden Tablet-Computer genutzt, die mit Hilfe geeigneter Apps* die Messdatenaufnahme und -analyse ermöglichen (siehe z. B. Klein et al., 2014a). Der theoretische Anteil der Aufgaben (Gesetzmäßigkeiten herleiten, Differentialgleichungen lösen) ist nach wie vor vorhanden.

             

            Fallkegel:

            Mobile Videoanalyse des Fallens eines Kegels mit Luftreibung. Links: Durchführung und Aufnahme des Experiments. Miite: Messdatenerfassung auf dem Tablet PC. Rechts: Auswertung des Geschwindigkeits-Zeit- (oben) und Orts-Zeit-Diagramm (unten) mit dem Tablet PC (Klein et al., 2014b).

             

            Gleichmäßig beschleunigte Kreisbewegung:

            Videoanalyse- Aufgabe. Links: Visualisierung der Beschleunigungsvektoren einer gleichmäßig beschleunigten Kreisscheibe. Rechts: Experimentelle Überprüfung des Zusammenhangs v = ω² r für die vier Markierungspunkte im Abstand r vom Drehzentrum.

             

            Die Aufgaben bilden alle Themenbereiche der Experimentalphysik 1 Vorlesung ab (von Kinematik bis Fluidmechanik, Schwingungen und Wellen, sowie Thermodynamik) und haben das Ziel,

            • experimentelle Kompetenzen zu fördern,
            • das Verstehen der physikalischen Sachverhalte durch multiple Repräsentationen zu unterstützen (Wechsel zwischen Formeln, Diagrammen und Bildern),
            • naturwissenschaftliche Arbeitsweisen und Methoden einzuüben,
            • Motivation und Neugierde beim Lerner zu wecken (Autonomie und Kompetenzerleben beim Problemlösen, Authentizität des Materials und der Methode, Selbstkonzept und intrinsische Motivation.

            Eine Gegenüberstellung von traditioneller, VA und mVA-Aufgabe zeigt (Klein et al., 2014c)

             

             

            Untersuchungsdesign (Zeitlicher Verlauf)
            Die Studie findet semesterbegleitend in einem quasiexperimentellen Versuchs-Kontrollgruppendesign mit Gruppenrotation statt (Klein et al., 2014d):

            Nach einer kurzen Einführungsphase arbeitet eine Hälfte der Studierenden (Gruppe A) für vier Wochen mit einer Kombination aus traditionellen und experimentellen (m)VA Aufgaben (Verhältnis etwa 1:3) während die andere Gruppe B inhaltsgleiche traditionelle Aufgaben bearbeitet. Anschließend tauschen beide Gruppen ihre Rollen. Messzeitpunkte liegen jeweils vor und nach den Instruktionsphasen.

            Die quantitative Forschung wird durch eine Analyse von Studierendeninterviews und von der Auswertung von Studentenlösungen der wöchentlichen Übungsaufgaben ergänzt.

             

             

            Ergebnisse
            Erste Ergebnisse deuten auf eine hohe Implementationsfähigkeit des Ansatzes und Akzeptanz der Studenten hin (Klein et al., 2014d). Quantitative Ergebnisse zeigen einen höheren Leistungsanstieg beim Arbeiten mit (m)VA Aufgaben im Vergleich zu traditionellen Aufgaben. Ebenso wecken (m)VA Aufgaben mehr Neugierde als ihre äquivalenten traditionellen Aufgaben.

             

            Links: Vergleich der post-experimentell gemessenen epistemischen Neugierde, die durch die Übungsaufgaben geweckt wurden (Testinstrument mit 8 Likert-Items, z.B.: Die Übungsaufgaben regten dazu an, neue Inhalte zu entdecken). Rechts: Konzeptverständnis zur Kinematik (5 FCI Items zum Superpositionsprinzip, Vektorcharakter von Kräften, …).

             

            Ausgewählte Veröffentlichungen

            • Klein, P., Gröber, S., Kuhn, J. und Müller, A. (2014a). Video Analysis of Projectile Motion Using Tablet Computers as Experimental Tool. Physics Education 49 (1), p.37-40.
            • Klein, P., Gröber, S., Kuhn, J. und Müller, A. (2014b). Mobile Videoanalyse mit Tablet PCs im Physikunterricht – App Vergleich am Beispiel des freien Falls mit Luftreibung. Praxis der Naturwissenschaften: Physik in der Schule. (angenommen)
            • Klein, P., Gröber, S., Kuhn, J. und Müller, A (2014c). Experimentelle Aufgaben in den Übungen zur Experimentalphysik 1. In D. Höttecke (Hrsg.), Naturwissenschaftliche Bildung zwischen Science- und Fachunterricht Münster: LIT-Verlag. (angenommen)
            • Klein, P., Kuhn, J., Müller, A. und Gröber, S. (2014d). Video analysis exercises in regular introductory mechanics physics courses: Effects of conventional methods and possibilities of mobile devices. In A. Kauertz, H. Ludwig, A. Müller, J. Pretsch  & W. Schnotz (Eds.), Multiple Perspecitves on Teaching and Learning.

             

            Zuständigkeit
            Doktorand: Pascal Klein (pklein(at)physik.uni-kl.de)
            Habilitand: OStR Dr. Sebastian Gröber (groeber(at)rhrk.uni-kl.de)

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