Arbeitsgruppe Prof. Kuhn

ViPEr Physics

Video-based Problems in Experimental Physics (ViPEr Physics)

 

Projektskizze
Experimentalphysikvorlesungen zur Mechanik und Elektrodynamik unterscheiden sich vom Physikunterricht der Sekundarstufe II durch sprunghaft und notwendigerweise gestiegene Anforderungen an das fachsystematische, konzeptionelle und mathematische Verständnis physikalischer Inhalte.

Zur Förderung des fachsystematischen und konzeptionellen Verständnisses von Studienanfängern werden in Übungen zur Mechanik und Elektrodynamik ein Teil rein theoriebasierter, traditioneller Aufgaben durch das neue Aufgabenformat "Videobasierte-Aufgaben" ersetzt. Diese beinhalten sowohl theoretische als in Bezug zur Analyse von videografierten Realexperimenten (Video-Experimente) stehende experimentelle Teilaufgaben.

Das Projekt ViPEr Physics fokussiert in videobasierten-Aufgaben auf die Konzeption von Formen des Theorie-Experiment-Wechselspiels und die empirische Untersuchung der Lernwirkung. Wir gehen davon aus, dass Studienanfänger in Experimentalphysikvorlesungen aufgrund hoher Informationsdichte und einer auf Beobachten und Zuhören begrenzten Lernaktivität noch keinen hinreichenden Zuwachs an physikalischem Verständnis aus dem Theorie-Experiment-Wechselspiel (Wechsel zwischen theoretischem Vortrag und Demonstrationsexperimenten)  ziehen können. Übungen bieten im Vergleich dazu Studierenden im Selbststudium oder in Gruppenarbeit mehr Freiraum.

 

 

Ziele/Forschungsfragen

  • Konzeption von videobasierten-Aufgaben für Übungen in Experimentalphysik - speziell zu anspruchsvolleren Themen, mit Model-Experimenten und Natur, Technik oder Alltag als Kontext
  • Theorie-Experiment-Wechselspiel als Konstruktionsprinzip videobasierter-Aufgaben
  • Empirische Untersuchung der Förderung des fachsystematischen und konzeptionellen Verständnisses durch Formen des Theorie-Experiment-Wechselspiels
  • Medientheoretische Fundierung von videobasierten-Aufgaben im Rahmen von problembasiertem Lernen
  • Implementation von videobasierten-Aufgaben in Übungen zur Experimentalphysik an der TU Kaiserslautern

 

 

Inhalte/Beispiele
In Video-Experimenten können mit einem Videoanalyseprogramm Messreihen zweidimensionaler kinematischer Größen (Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung) und Einzelmessungen von Koordinaten, Zeitintervallen, Strecken und Geschwindigkeiten, Winkel und Winkelgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Die Integration computergestützter Messwerterfassung mit Sensoren unter dem Medienformat Video erlaubt zusätzlich für die Lehre relevante physikalischen Größen wie z. B. Kräfte, Temperaturen, Spannungen, Ströme, … im Video darzustellen. Auswertungen von Messdaten können mit den im Videoanalyseprogramm implementierten Analysewerkzeugen (Diagramme, Regression, Vektordarstellungen, Funktionsgraphen, …) durchgeführt werden. Insgesamt können Video-Experimente zu allen Gebieten der Physik erstellt und videobasierte-Aufgaben in Übungen aller Experimentalphysikkurse eingesetzt werden.

 

Schuss von Spielzeuglokomotive (Mechanik):

Eine Kugel wird von einer fahrenden Spielzeuglokomotive abgeschossen:

a)   Welche Voraussetzungen sind erfüllt, dass die Kugel wieder in den Schussapparat zurückfällt?

b)   Beschreibe qualitativ die Bahnkurve der Kugel bezüglich der Spielzeuglokomotive und bezüglich des Bahndamms. Kontrolliere das Ergebnis durch Messen der Bahnkurven.

c)    Bestimme möglichst genau die Geschwindigkeitskomponenten der Kugel beim Abschuss aus Sicht eines Beobachters am Bahndamm.

 

 Links: Bahnkurve in ruhendem und bewegtem Bezugssystem zu Teilaufgabe b). Rechts: Bestimmung von vx und vy(0) durch lineare Regression von x(t) und vy(t). Berechnung von Abschussgeschwindigkeit und -winkel.

 

 

Induktion durch Flächenänderung (Elektrodynamik):

Eine rechteckförmige Leiterschleife (Windungszahl n = 1, Breite b = 4 cm) wird aus einem räumlich begrenzten Magnetfeld gezogen:

a)   Spezialisiere in begründeten Schritten die allgemeinste integrale Form des Induktionsgesetzes auf den im Experiment dargestellten Fall.

b)   Erkläre die konstante Induktionsspannung.

c)    Bestimme die Flussdichte B.

 

Ergebnisse
1. Charakterisierung von videobasierten-Aufgaben durch Mehrwerte gegenüber traditionellen Aufgaben [Gröber et al 2014a]:

  • Theorie-Experiment-Wechselwirkung: Jede videobasierte-Aufgabe bietet aufgrund vernetzter theoretischer und experimenteller Aufgabenanteile diesen Mehrwert
  • Multiple Repräsentationen: Zum Lösen videobasierter-Aufgaben werden außer Formeln und Gesetzen in Verbindung mit Videoanalyseprogrammen auch Diagramme und Pfeildarstellungen von Vektoren verwendet
  • Experimentelle Einbindung von Kontexten: Videografierte Modelexperimente (mit Experimentiermaterial) und Kontextexperimente (ohne Experimentiermaterial) erlauben die Einbindung von Kontexten aus Technik, Natur oder Alltag in die physikalische Aufgabenstellung

2. Identifikation vielfältiger Formen des Theorie-Experiment-Wechselspiels (z. B. qualitatives und quantitatives Erklären von Theorie-Experiment-Differenzen).

3. Konzeptionsguide zur strukturierten Erstellung von videobasierter-Aufgaben mit minimalem Zeit- und Arbeitsaufwand.

 

Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Gröber, S., Klein, P. & Kuhn, J. (2014). Video-based problems in introductory mechanics physics courses. European Journal of Physics (EJP), 35, 5, 055019.**
  • Klein, P., Kuhn, J., Müller, A. & Gröber, S. (2013). Video analysis exercises in regular introductory mechanics physics courses: Effects of conventional methods and possibilities of mobile devices. In Kauertz, A., Ludwig, H., Müller, A., Pretsch, J. & Schnotz, W. (Eds.). Multiple Perspectives on Teaching and Learning. (angenommen)

 

 

Zuständigkeit
Habilitand: OStR Dr. S. Gröber (groeber(at)rhrk.uni-kl.de)

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