Augmented-Reality-Applikation zum Einsatz bei Schülerexperimenten im Elektrizitätslehreunterricht der Sekundarstufe I

Mithilfe von Augmented Reality (kurz: AR) können reale Situationen (z.B. physikalische Experimente) durch virtuelle Objekte und Texteinblendungen ergänzt werden. Die hier vorgestellte Applikation erweitert als Schülerexperimente aufgebaute Stromkreise um die virtuelle Darstellung des physikalischen Elektronengasmodells (Burde, 2018) inklusive der Innenansichten verschiedener Bauteile wie Lampen und Widerständen. Dadurch ergeben sich für die Unterrichtsgestaltung neue Möglichkeiten der Verzahnung von Theorie und Experiment. Die Lernenden können mithilfe der Applikation direkt am Experiment qualitative und halb-quantitative Kenntnisse zu den Grundgrößen Stromstärke, Spannung, Potential und Widerstand sowie zu den Gesetzmäßigkeiten in Reihen- und Parallelschaltungen erwerben. Ausgehend von der Cognitive Load Theory (Plass, 2010), der Cognitive Theory of Multimedia Learning (Mayer, 2014) und der Self Determination Theory (Ryan, 2016) vermuten wir, dass durch diese Erarbeitung der theoretischen Inhalte direkt am Experiment (anstelle des üblichen Lehrervortrags) ein erhöhter Wissenszuwachs und eine Steigerung der unterrichtsbezogenen Motivation erzeugt wird. Außerdem wird untersucht, ob sich dadurch die Möglichkeit ergibt, direkter und effektiver auf falsche Schülervorstellungen einzugehen.Im Beitrag werden die sich in der Entwicklung befindende Applikation vorgestellt sowie die geplanten Studien skizziert

Die Bewegung im räumlichen Denken bei physikalischen Aufgaben

Das räumliche Denken und die Vorstellung von Bewegung sind eng miteinander verbunden. Dies zeigt sich im Besonderen in den Inhalten der STE(A)M Fächer, namentlich in Physik. Das vorliegende Modell der Bewegung als zentrales Element des räumlichen Denkens basiert auf grundlegenden anerkannten wissenschaftlichen Theorien zur visuellen Wahrnehmung und zur Raumvorstellung in Verbindung mit fachdidaktischen Erkenntnissen aus Mathematik und Physik. Es beinhaltet u. a. die Bewegung als Vorstellung eines realen Ablaufs, die Bewegung als verändernden Vorgang, die Bewegung als gedanklichen Prozess zur Problemlösung sowie die Bewegung als Bewegbarkeit innerhalb eines ruhenden Systems. All diesen Vorstellungen liegt die Erfahrung der Bewegung im realen Raum zugrunde. An das Modell anlehnend, werden physikalisch-technische, astronomische und mathematische Aufgaben zur Bewegung im Hinblick auf das räumliche Denken entwickelt und analysiert. In diesem Beitrag wird der Schwerpunkt auf die physikalischen und astronomischen Aufgaben gelegt. Des Weiteren wird auf eine qualitative Studie zur Untersuchung von räumlichen Denkschritten bei der Lösung der Aufgabenstellungen Bezug genommen. Die Studie zielt auf das Auffinden von Hypothesen, ob und wie das räumliche Denken von Studierenden bei der Lösung der gestellten Aufgaben verwendet wird

Selbstbestimmtes und angeleitetes Experimentieren im Schülerlabor

Schülerlabore ermöglichen Schülerinnen und Schülern (SuS) wie echte Forschende in einer authentischen Lernumgebung zu agieren. In physikalischen Projekten können SuS z. B. einen Experimentierprozess planen, durchführen, auswerten und evaluieren – und somit selbstreguliert lernen. Im Rahmen dieser Mixed Methods-Studie soll untersucht werden, wie der Grad der Instruktion (angeleitet vs. selbstbestimmt) während des Experimentierens – in Abhängigkeit vom Vorwissen des Lernenden – den Kompetenzaufbau (FF1) beziehungsweise den Selbstregulationsprozess beeinflusst (FF2) und wie sich Vorwissen und Instruktionsgrad auf die Judgments of Performance der Lernenden auswirken (FF3). Die Erhebung ist ab Februar 2021 geplant: N = 128 SuS der 7. und 8. Jgst. experimentieren in Kleingruppen zum Phänomen des Sonnentalers im Schülerlabor. Hierbei erhalten sie identische Materialien und nach dem Predict-Observe-Explain-Ansatz strukturierte Arbeitsblätter. Die angeleitet experimentierenden Gruppen bekommen Vorgaben für den Ablauf des Experimentierprozesses, während die selbstbestimmt experimentierenden Gruppen explorativ vorgehen können. Während des Experimentierens werden einzelne Kleingruppen videographiert, um ihren Lernprozess hinsichtlich der Selbstregulation zu analysieren. Zudem werden die SuS Fachwissenstests sowie Judgments of Performance und Confidence Judgments ausfüllen. Der Beitrag gibt erste Einblicke in das Projekt, Erkenntnisse aus einer Pilotierungsstudie und erläutert das geplante Forschungsvorhaben

Zur Legitimation hochwertiger physikalischer Bildung für Straßenkinder und -jugendliche - The Legitimation of Quality Physics Education for Street-Connected Children and Street Youth

Weltweit leben Millionen Kinder und Jugendliche auf der Straße. Während das in Entwicklungsländern als traurige Realität hingenommen wird, ist vielen unbekannt, dass auch in westlichen Ländern, z.B. in Deutschland, Straßenjugendliche leben. Sowohl in Entwicklungsländern als auch in Deutschland sehen sich diese jungen Menschen vielfältigen Hindernissen gegenüber, die ihnen den Zugang zu einer hochwertigen Schulbildung erschweren. Das SDG „Quality Education“ fordert, dass insbesondere Kinder und Jugendliche in prekären Situationen Zugang zu allen Bildungsebenen haben müssen. Um Straßenkindern und -jugendlichen die ihnen zustehende Bildung zu ermöglichen, wurden beispielsweise Straßenschulen gegründet, in denen oft auch physikalische Bildungsinhalte vermittelt werden. Diese Studie verfolgt zwei Ziele. Erstens soll das Leben von Straßenkindern und -jugendlichen und die Ursachen für Straßenkarrieren in Entwicklungsländern und in Deutschland miteinander durch eine Literaturrecherche verglichen werden. Anschließend soll die Frage beantwortet werden, inwiefern physikalische Bildung für Straßenkinder und -jugendliche notwendig ist und folglich auch Teil von Bildungsprojekten für Straßenkinder und -jugendliche sein sollte.-----------------------------------------------------------------------------------Worldwide, there are millions of children and youth living on the streets. While this is accepted as a sad reality when it comes to developing countries, many people are unaware that street youth also exist in Western countries, such as Germany. In both developing and developed countries young people on the streets face a plethora of challenges that make it difficult for them to access quality schooling. However, one of the demands of the SDG “Quality Education“ is that children and youth in precarious living situations should be guaranteed access to all levels of education. In order to fulfill this goal different projects, for example street schools, are founded. Nowadays these projects often include physics education in their curriculum. This study has two goals. First, the life of street-connected children in developing countries and street youth in Germany is compared through an extensive literature review. Differences and similarities between these two groups and their reasons for leaving home are elaborated. Secondly, the question is answered to what extent physics education is necessary for street-connected children and street youth and consequently should be part of educational projects for them

Teacher identity von MINT-Lehrkräften: Explorative Studie zur Selbst- und Fremdwahrnehmung

Die Unterrichtspraxis in allen Fächern wird maßgeblich durch das Selbstverständnis und die Persönlichkeit von Lehrkräften bestimmt. Mit dem Begriff teacher identity ist der Versuch verbunden, diese beiden Aspekte zusammenzuführen, allerdings existiert eine anhaltende Debatte über eine praxistaugliche Definition dieses Begriffs. Wir greifen diese Problematik auf und leiten aus der Literatur eine mögliche Operationalisierung des Konstrukts ab und zwar durch Unterscheidung verschiedener Narrative, die die Selbst- und Fremdwahrnehmung von Lehrkräften betreffen. Die Ergebnisse einer ersten explorativen Studie mit N = 89 Lehrkräften an fünf Gymnasien zur Selbst- und Fremdwahrnehmung von MINT-Lehrkräften deuten darauf hin, dass die Definition des Konstrukts teacher identity via Selbst- und Fremdwahrnehmungen, für zukünftige empirische Forschung in diesem Bereich fruchtbar sein kann

Die zweite Quantenrevolution - Quanteninformatik im Physikunterricht

In den letzten Jahrzehnten hat die Quantentechnologie rasante Fortschritte gemacht. Die sich daraus ergebenden Anwendungen und Möglichkeiten dringen immer stärker in das Bewusstsein der interessierten Menschen und finden ihren Niederschlag in der medialen Begleitung. Parallel dazu bahnt sich ein Paradigmenwechsel im Unterricht über Quantenphysik sowohl an der Schule als auch an der Universität an. Insbesondere treten die vielfach diskutierten Interpretationsfragen in den Hintergrund und machen einer pragmatischen Betrachtungsweise Platz, die die Besonderheiten der Quantenphysik als gegeben akzeptiert und sie für neue bislang ungeahnte Anwendungen nutzt. Dabei stellt sich die Frage, welche Aspekte für den Schulunterricht auf verschiedenen Stufen, für die universitäre Ausbildung von Physikern und von Ingenieuren von besonderer Bedeutung sind. In diesem Vortrag werde ich mich auf den Bereich der Quanteninformatik konzentrieren und ausloten, welche Aspekte sich hierbei im Sinne einer Allgemeinbildung als relevant und realisierbar für den schulischen Unterricht erweisen können

Computational Playground - Eine Rasch-Analyse zum Computational Thinking bei Sachunterrichtsstudierenden im Lehr-Lern-Labor

‚Informatische Bildung‘ soll, wie von der KMK oder auch von sachunterrichtsdidaktischer Seite gefordert, Teil des Sachunterrichts werden. Dieser Vorgang stellt einen Transfer einer Innovation in ein bestehendes Bildungssystem und somit eine besondere Herausforderung dar: Für diesen Transfer muss eine entsprechende Qualifizierung von angehenden Lehrkräften im Lehramtsstudium sicher-gestellt werden. Da informatische Fachkompetenzen bei Grundschullehramtsstudierenden jedoch bisher wenig erforscht wurden, wurde im QLB-Projekt K2teach an der Freien Universität Berlin eine Studie durchgeführt, die einerseits auf die Kreuzvalidierung eines Tests zum sogenannten Com-putational Thinking bei Studierenden fokussiert und andererseits darauf, inwiefern die Teilnahme an einem entsprechend ausgerichteten Seminar im Lehr-Lern-Labor-Format Einfluss auf dessen Ausprägung nimmt. Die Ergebnisse zeigen sowohl eine Eignung des Tests auf Basis der Rasch-Modellierung als auch einen signifikanten Anstieg der Fähigkeiten im Bereich des Computational Thinking durch den Besuch des Lehr-Lern-Labors

Mehrdimensionale Analyse zur Vernetzung von Begriffselementen des Basiskonzepts Energie

Als Reaktion auf die enttäuschenden Ergebnisse in den zurückliegenden TIMS- (Baumert et al., 1997) und PISA-Studien (Baumert et al., 2001; Prenzel et al., 2004) wurden Basiskonzepte, wie das fächerübergreifende Energiekonzept, in den deutschen Bildungsstandards für den mittleren Schulabschluss verankert (KMK, 2005a-c). Damit war die Hoffnung verbunden, die nach der konstruktivistischen Lerntheorie und den Leitlinien des kumulativen Lernens wichtige Vernetzung von Unterrichtsinhalten zu forcieren. In der vorliegenden Arbeit gehen wir der Frage nach, inwieweit wir in von Schüler*innen der Jahrgangsstufe 9 formulierten Essays zum Basiskonzept Energie vertikale (fachimmanente) und horizontale (fächerübergreifende) Vernetzungsstrukturen nachweisen können. Da die uns bekannten Modelle und Ansätze zur Analyse und Beschreibung von Vernetzungsleistungen entweder ausschließlich auf den Aspekt der vertikalen Vernetzung oder ausschließlich auf den Aspekt der horizontalen Vernetzung fokussieren, haben wir auf der Basis dieser Modelle und Ansätze ein weiter ausdifferenziertes Analyseinstrument entwickelt, das neben der vertikalen Vernetzung ebenso der Dimension der horizontalen Vernetzung Rechnung trägt. Mit dem eigens entwickelten Modell zur Analyse der Vernetzung von Begriffselementen in Essays (MAVerBE) haben wir 132 Essays zum Energiekonzept von Schüler*innen eines Gymnasiums untersucht. In diesem Beitrag stellen wir ausgewählte Analyseergebnisse zur Diskussion

Dimensional Transitions in a Bose Gas

In the early universe, the density reached the order of the Planck density. As a result, there were gravitational instabilities in which dimensional transitions occurred. It should be taken into account that the early universe consists only of photons and black holes. Photons are bosons. The quantum physical model for many bosons, such as photons, is the Bose gas model. Here we can study the dynamics of the early universe more accurately (Hans-Otto Carmesin (2020): The Universe Developing from Zero-Point Energy Discovered by Making Photos, Experiments and Calculations. Berlin: Verlag Dr. Köster). This research aims to determine and apply the critical densities of dimensional phase transitions in Bose gases with the use of a computer simulation. This new type of phase transitions could be used in the future to apply them to the horizon problem. This might accordingly lead to the solution of the problem without including a hypothetical entity such as the so called *inflation field*. The project is presented as an example for teamwork in an ensemble of projects in the field of quantum gravity that are carried out in a research club at our school

Dirac-Algebra: Kurz und schmerzlos

Im Bereich von Informatik und Software-Entwicklung wird die Dirac-Algebra zur Modellierung hyperbolischer und konformer Räume eingesetzt. Es ist deshalb sinnvoll, Lernenden eine Einführung in die Dirac-Algebra zu eröffnen, die auf die Thematisierung des quantenmechanischen Hintergrunds vollständig verzichtet.Aus diesem Grund wurden Aufgaben zur Lösung Linearer Gleichungssysteme, die zuvor auf Basis der Pauli-Algebra gelöst wurden, umgestaltet und mit Hilfe der Dirac-Algebra bearbeitet. Dieser Ansatz,der vorgestellt und didaktisch hinterfragt wird, führt auf den Kern dessen zurück, was Grassmann in seiner Ausdehnungslehre erstmals formulierte: Die Basisgrößen von Pauli- und Dirac-Algebra (also der Geometrischen Algebra) können als Basisvektoren interpretiert werden. Die Lösung Linearer Gleichungssysteme mit Hilfe der Dirac-Algebra stellt deshalb ein raumzeitliches Analogon zum üblicherweise als Cramersche Regel bezeichneten Lösungsverfahren dar.Und auch raumzeitliche Analoga zu Moore-Penrose-Matrizeninversen lassen sich konstruieren