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Implementierung modellbildender Lernangebote in das physikalische Praktikum

Goal: In diesem von der Joachim Herz Stiftung geförderten Projekt wird zur Vorbereitung auf Versuche im physikalischen Praktikum eine Lernumgebung zur Modellierung mit digitalen Werkzeugen eingesetzt. Im Zentrum steht die Auseinandersetzung mit einem oder mehreren Modellen des im Versuch behandelten Phänomens. Am Praktikumstag werden daraufhin die aus dem Modell klar formulierten Hypothesen mit dem zur Verfügung gestellten Material überprüft.

Date: 1 January 2018 - 31 July 2019

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Albert Teichrew
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Das Schülerlabor Optik mit Modellen und Experimenten, das an der Goethe-Universität Frankfurt am Main angeboten wird, wurde als Online-Kurs mit vier Modulen zu Licht, Schatten, Spiegel und Farben virtualisiert. Zu jedem behandelten Phänomen wurden interaktive Modelle und Bildschirmexperimente gestaltet, die nacheinander mithilfe der Anleitungen eigenständig bearbeitet werden. Somit konnten Schüler*innen von Zuhause aus anhand von mehreren Fragestellungen angemessene Vorstellungen über Alltagsphänomene der Optik aufbauen. Die Wirksamkeit der Förderung wurde durch ein zweistufiges Testinstrument für Schülervorstellungen gemessen (N = 228). Zusätzlich konnte der Lernprozess mithilfe von Zwischenfragen zu drei verschiedenen Messzeitpunkten erfasst werden: nach der Fragestellung, nach dem Modell und nach dem Experiment. Darüber hinaus wurden lernpsychologische Aspekte des Lernens mit Modellen und Experimenten im Rahmen der Cognitive Load Theory (CLT) erfasst und analysiert. In dem Beitrag werden die Konzeption des Online-Kurses und Ergebnisse der quantitativen Analysen vorgestellt.
Albert Teichrew
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Modelling is an essential step in acquiring scientific knowledge, serving as the basis for experimenting and interpreting collected data. The teaching and research project presented in this paper used an online learning environment to prepare students for experiments in optics, implementing dynamic models created with GeoGebra to encourage virtual exploration. The results support the idea that the learning environment enables model-based hypothesis formation. In this mixed-methods study, screen recordings, videos and questionnaires were used to explore how learning with dynamic models and experiments works. APA style for referencing: Teichrew, A., & Erb, R. (2019). Analysis of learning with dynamic models and experiments in optics. In O. Levrini & G. Tasquier (Hrsg.), Electronic Proceedings of the ESERA 2019 Conference. The beauty and pleasure of understanding: Engaging with contemporary challenges through science education, Part 3 (co-ed. Fechner, S. & Vorhoeff. R.), (pp. 330–336). Bologna: ALMA MATER STUDIORUM – University of Bologna.
Albert Teichrew
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Die Durchführung von Experimenten ist eine verbreitete Methode des naturwissenschaftlichen Unterrichts. Jedoch ist Experimentieren kein Selbstzweck, sondern ein wesentlicher Schritt der Erkenntnisgewinnung. In diesem Kontext ist eine vorhergehende Auseinandersetzung mit dem realen Phänomen und einem dafür konstruierten Modell sinnvoll. Der am Beispiel des Regenbogens vorgestellte Kreislauf der Erkenntnisgewinnung eignet sich als Strukturhilfe für Lernumgebungen mit Modellen und Experimenten. Teichrew, A., & Erb, R. (2020). Lernen mit Modellen und Experimenten: Von der Beobachtung zur Erkenntnis am Beispiel des Regenbogens. MNU, 73(6), 481–486.
Albert Teichrew
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Modellieren von Phänomenen oder Simulieren komplexer Systeme ist aus Wissenschaft und Technik nicht mehr wegzudenken. Mit der Geometrie Software GeoGebra erstellte dynamische Modelle eignen sich zum virtuellen Experimentieren und tragen zur Hypothesenbildung bei. Reale Experimente stellen zwar die reinste Form der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit Naturphänomenen dar, sie können jedoch mit digitalen Inhalten erweitert werden. Diese werden über das Kamerabild so eingeblendet, als ob sie sich tatsächlich im Raum befinden würden. Die virtuellen Bestandteile erweitern die realen Strukturen dort, wo nicht beobachtbare Elemente zum Verständnis des Experiments beitragen und den Vergleich von Modell und Realität erleichtern. In einem von der Joachim Herz Stiftung geförderten Lehrvorhaben wird in einem Praktikum zur Optik für Lehramtsstudierende eine digitale Lernumgebung zur Vorbereitung eingesetzt und ein AR Experiment durchgeführt. Im Rahmen einer explorativen Studie wurde mithilfe von Bildschirmaufnahmen untersucht, wie das Lernen mit AR-Experimenten verläuft.
Albert Teichrew
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Modellieren von Phänomenen oder Simulieren komplexer Systeme ist aus Wissenschaft und Technik nicht mehr wegzudenken. Mit der Geometrie Software GeoGebra erstellte dynamische Modelle eignen sich zum virtuellen Experimentieren und tragen zur Hypothesenbildung bei. Reale Experimente stellen zwar die reinste Form der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit Naturphänomenen dar, sie können jedoch mit digitalen Inhalten erweitert werden. Diese werden über das Kamerabild so eingeblendet, als ob sie sich tatsächlich im Raum befinden würden. Die virtuellen Bestandteile erweitern die realen Strukturen dort, wo nicht beobachtbare Elemente zum Verständnis des Experiments beitragen und den Vergleich von Modell und Realität erleichtern. In einem von der Joachim Herz Stiftung geförderten Lehrvorhaben wird in einem Praktikum zur Optik für Lehramtsstudierende eine digitale Lernumgebung zur Vorbereitung eingesetzt und ein AR Experiment durchgeführt. Im Rahmen einer explorativen Studie wurde mithilfe von Bildschirmaufnahmen untersucht, wie das Lernen mit AR-Experimenten verläuft.
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Modelling is an essential step in acquiring scientific knowledge. It serves as the basis for experimenting and interpreting collected data. A teaching project funded by the Joachim Herz Stiftung used an online learning environment to prepare students for optical experiments. Dynamic models created with GeoGebra were implemented to encourage virtual exploration and make it possible to formulate hypotheses. In a mixed-methods study, screen capturing, video recording and questionnaires were used to explore how learning with dynamic models works. Results indicate that cognitive factors influenced the interaction with dynamic models more than affective factors. Further to this, a longer modelling phase had a positive impact on experimental goals.
Albert Teichrew
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Modellbildung ist ein wesentlicher Schritt naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung und eine wichtige Voraussetzung für ein gezieltes Experimentieren und sinnvolles Interpretieren der gewonnenen Daten. In einem von der Joachim Herz Stiftung geförderten Lehrvorhaben wird im physikalischen Praktikum zur Vorbereitung auf Versuche der Geometrischen Optik eine digitale Lernumgebung eingesetzt. Den Kern bilden mit GeoGebra erstellte Modelle, die zum virtuellen Experimentieren auffordern und der Hypothesenbildung dienen. Im Rahmen einer explorativen Evaluationsstudie wurde mithilfe von Bildschirm- und Videoaufnahmen sowie eingebetteten Fragebögen untersucht, wie das Lernen mit dynamischen Modellen verläuft. Von besonderem Interesse ist dabei, durch welche Einflussfaktoren sich der Einsatz digitaler Modellexperimente auf das Fachwissen einerseits und die experimentellen Handlungen im Praktikum andererseits auswirkt. Im Vortrag wird das Lehrvorhaben und die eingesetzte Methodenkombination vorgestellt sowie über erste Ergebnisse berichtet.
Modellbildung ist neben der Durchführung von Experimenten ein wesentlicher Schritt natur-wissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung. Die Erfahrung zeigt, dass das Experimentieren und vor allem das Interpretieren der gewonnen Daten schwerfällt, wenn das physikalische Modell nicht verstanden wurde, das dem Experiment zugrunde liegt. Das Durcharbeiten einer her-kömmlichen Versuchsbeschreibung im Vorfeld des physikalischen Praktikums ist für eine eingehende Auseinandersetzung mit den relevanten Modellen nicht ausreichend. In dem von der Joachim Herz Stiftung geförderten Lehrvorhaben wird zur Vorbereitung auf Versuche zur geometrischen Optik im physikalischen Praktikum eine online Lernumgebung eingesetzt, die Modellbildung innerhalb der Dynamischen Geometrie-Software GeoGebra ermöglicht und zum virtuellen Experimentieren an mehreren Modellen auffordert. Im Rahmen einer explora-tiven Evaluationsstudie soll hierbei geklärt werden, wie und durch welche Einflussfaktoren sich der Einsatz digitaler Modellexperimente auf das Fachwissen einerseits und die Handlun-gen im Praktikum andererseits auswirkt.
Albert Teichrew
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Als Teil des Wissenschaftsverständnisses spielt Modellverständnis eine große Rolle für die Erkenntnisgewinnung. Der Umgang mit Modellen ist entscheidend dafür, welches Bild der Physik vermittelt wird. Mit der Forderung nach einem „Lernen über Modelle“ wird einer unreflektierten Verwendung physikalischer Modelle ohne Kenntnis ihrer Annahmen und Grenzen begegnet. Eine konstruktiv-empiristische Sichtweise auf Modelle als zielgerichtete theoretische Rekonstruktionen kann jedoch erst durch eigenständige Entwicklung und Anpassung von Modellen für einen bestimmten Zweck und ihre stetige Überprüfung nachhaltig aufgebaut werden. Mit einer Interventionsstudie im physikalischen Praktikum für Lehramtsstudierende wurde an einem Beispiel aus der Beugungsoptik untersucht, welchen Einfluss das Experimentieren mit computergestützten Modellen auf die Modellkompetenz hat. Als Grundlage dient eine anpassungsfähige Ausführung eines Zeigermodells für Interferenzphänomene am Doppelspalt. Zur Operationalisierung wird ein fünfdimensionales Kompetenzmodell mit drei Niveaustufen herangezogen.
Albert Teichrew
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In diesem von der Joachim Herz Stiftung geförderten Projekt wird zur Vorbereitung auf Versuche im physikalischen Praktikum eine Lernumgebung zur Modellierung mit digitalen Werkzeugen eingesetzt. Im Zentrum steht die Auseinandersetzung mit einem oder mehreren Modellen des im Versuch behandelten Phänomens. Am Praktikumstag werden daraufhin die aus dem Modell klar formulierten Hypothesen mit dem zur Verfügung gestellten Material überprüft.
 
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Modellbildung ist ein wesentlicher Schritt naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung und eine wichtige Voraussetzung für ein gezieltes Experimentieren und sinnvolles Interpretieren der gewonnenen Daten. In einem von der Joachim Herz Stiftung geförderten Lehrvorhaben wird im physikalischen Praktikum zur Vorbereitung auf Versuche der Geometrischen Optik eine digitale Lernumgebung eingesetzt. Den Kern bilden mit GeoGebra erstellte Modelle, die zum virtuellen Experimentieren auffordern und der Hypothesenbildung dienen. Im Rahmen einer explorativen Evaluationsstudie wurde mithilfe von Bildschirm- und Videoaufnahmen sowie eingebetteten Fragebögen untersucht, wie das Lernen mit dynamischen Modellen verläuft. Von besonderem Interesse ist dabei, durch welche Einflussfaktoren sich der Einsatz digitaler Modellexperimente auf das Fachwissen einerseits und die experimentellen Handlungen im Praktikum andererseits auswirkt. In dem Beitrag wird das Lehrvorhaben und die eingesetzte Methodenkombination vorgestellt sowie über erste Ergebnisse berichtet.
Modellbildung ist neben der Durchführung von Experimenten ein wesentlicher Schritt naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung. Die Erfahrung zeigt, dass das Experimentieren und vor allem das Interpretieren der gewonnen Daten schwerfällt, wenn das physikalische Modell nicht verstanden wurde, das dem Experiment zugrunde liegt. Das Durcharbeiten einer herkömmlichen Versuchsbeschreibung im Vorfeld des physikalischen Praktikums ist für eine eingehende Auseinandersetzung mit den relevanten Modellen nicht ausreichend. In dem von der Joachim Herz Stiftung geförderten Lehrvorhaben wird zur Vorbereitung auf Versuche zur geometrischen Optik im physikalischen Praktikum eine online Lernumgebung eingesetzt, die Modellbildung innerhalb der Dynamischen Geometrie-Software GeoGebra ermöglicht und zum virtuellen Experimentieren an mehreren Modellen auffordert. Im Rahmen einer explorativen Evaluationsstudie soll hierbei geklärt werden, wie und durch welche Einflussfaktoren sich der Einsatz digitaler Modellexperimente auf das Fachwissen einerseits und die Handlungen im Praktikum andererseits auswirkt.