The Digiphyslab Project: Digital physics laboratory work for on-campus and distance learning

EXPERIMENTAL WORK AND COVID-19 With the emergence of the COVID-19 in spring 2020, physics teaching at university level needed to be rapidly transformed into a distance learning mode all around the world. While lectures and tutorials could rather easily be substituted with video conferences, self-study materials, or recorded videos, transforming a hands-on laboratory course into distance learning is much more challenging facing its traditional structures, manifold learning objectives, and the essential use of typical laboratory equipment (Hut et al., 2020; Jelicic et al., 2022; Werth et al., 2021).  DIGITAL TECHNOLOGIES AS A PROMISING APPROACH A promising approach to develop laboratory courses especially, and to offer these courses in a distance learning mode, is to use digital technologies like smartphones. Smartphones are widely used, often cheaper than traditional equipment and allow convenient data collection and analysis by utilising built-in sensors. Thus, smartphones provide an affordable opportunity to conduct experiments beyond the laboratory. Additionally, they can enhance inquiry-based learning processes due to the reduction of students’ extraneous cognitive load (Becker et al., 2020). THE DIGIPHYSLAB-PROJECT The DigiPhysLab-project (Lahme et al., in press), co-funded by the European Union, follows this approach of utilising digital technologies like smartphones for physics experiments by developing 15 high-quality, competence-centered experimental tasks that can therefore be implemented either in on-campus or distance learning settings. All developed tasks are linked to a theoretical framework for design principles of experimental tasks and evaluated with students at the participating universities. The task instructions and further materials are published as open educational resources on the project website (www.jyu.fi/digiphyslab). In the presentation, the framework, the tasks, and the evaluation scheme are presented, and the usability of the tasks is discussed. REFERENCES Becker, S., Klein, P., Gößling, A., & Kuhn, J. (2020). Using mobile devices to enhance inquiry-based learning processes. Learning and Instruction, 69, 101350. Hut, R. W., Pols, C. F. J., & Verschuur, D. J. (2020). Teaching a hands-on course during corona lockdown: from problems to opportunities. Physics Education, 55(6), 065022. Jelicic, K., Geyer, M. A., Ivanjek, L., Klein, P., Küchemann, S., Dahlkemper, M. N., & Susac, A. (2022). Lab courses for prospective physics teachers: what could we learn from the first COVID-19 lockdown? What could we learn from the first COVID-19 lockdown? European Journal of Physics, 43(5), 55701. Lahme, S. Z., Klein, P., Lehtinen, A., Müller, A., Pirinen, P., Susac, A., & Tomrlin, B. (in press). DigiPhysLab: Digital Physics Laboratory Work for Distance Learning. PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung - online 2022. Werth, A., Hoehn, J. R., Oliver, K., Fox, M. F. J., & Lewandowski, H. J. (2021). Rapid Transition to Remote Instruction of Physics Labs During Spring 2020: Instructor Perspectives. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2112.1225

Ansätze zur Diagnose und Förderung von Problemlösefähigkeiten in der Studieneingangsphase Physik

Fast die Hälfte aller Studierenden bricht ihr Physikstudium in der Studieneingangsphase ab. Eine der häufigsten Ursachen stellt die unzureichende Bewältigung fachlicher Anforderungen dar. Im ersten Semester wird besonders die Bearbeitung der Übungsaufgaben zur Vorbereitung auf die Modulklausuren als herausfordernd wahrgenommen. Hierzu werden vor allem fachspezifische Problemlösefähigkeiten benötigt, die die Studierenden noch nicht auf nötigem Niveau beherrschen. Resultierende Fehler und Schwierigkeiten können zu Motivationsverlust und Studienabbruch führen.Die Analyse von Problemlösefähigkeiten und das Ableiten passgenauer Unterstützungsangebote stehen daher im Fokus der Begleitforschung zum Lernzentrum Physiktreff der Universität Paderborn. Aus Aufgabenbearbeitungen im Themenfeld Mechanik werden Fehler und Schwierigkeiten rekonstruiert und Bearbeitungstypiken identifiziert. Diese Typiken erlauben eine passgenaue Diagnostik sowie individuelle Förderung fachspezifischer Problemlösefähigkeiten

A framework for designing experimental tasks in contemporary physics lab courses

While lab courses are an integral part of studying physics aiming at a huge variety of learning objectives, research has shown that typical lab courses do not reach all the desired goals. While diverse approaches by lab instructors and researchers try to increase the effectiveness of lab courses, experimental tasks remain the core of any lab course. To keep an overview of these developments and to give instructors (and researchers) a guideline for their own professional efforts at hand, we introduce a research-informed framework for designing experimental tasks in contemporary physics lab courses. In addition, we demonstrate within the scope of the EU-co-funded DigiPhysLab-project how the framework can be used to characterize existing or develop new high-quality experimental tasks for physics lab courses.Comment: 10 pages, 1 figure, 1 table, submitted to GIREP 2022 proceedings, minor revisions especially in Sec. 3 after revie

Potenziale und Grenzen von Unterstützungsmaßnahmen zum wissenschaftlichen Schreiben im Paderborner Physik Praktikum 3P

Eines der Lernziele des Physikstudiums stellt der Erwerb literaler Fähigkeiten für das Verfassen wissenschaftlicher Arbeiten dar. Die Student:innen werden allerdings im Rahmen ihres Studiums bisher kaum systematisch beim Erwerb dieser Fähigkeiten unterstützt. Eine Übungsgelegenheit für das Verfassen von Texten nach wissenschaftlichem Vorbild stellt das Laborpraktikum dar, in dem die Student:innen zu den absolvierten Experimenten Laborberichte verfassen. Im Paderborner Physik Praktikum 3P wurden in den letzten Jahren vier unterschiedliche Unterstützungsangebote für das Erlernen des wissenschaftlichen Schreibens entwickelt und mittels Zufriedenheitswerten evaluiert. In dem Beitrag werden die vier Angebote auf inhaltlicher Ebene hinsichtlich der Lernwirksamkeit mittels einer schriftproduktbasierten Evaluation analysiert. Durch die vergleichende Analyse können Potenziale und Grenzen der Angebote diskutiert und Implikationen für die Gestaltung von Unterstützungsangeboten zum Erlernen des wissenschaftlichen Schreibens in der Physik abgeleitet werden

Potenziale und Grenzen von Unterstützungsmaßnahmen zum wissenschaftlichen Schreiben im Paderborner Physik Praktikum 3P

Eines der Lernziele des Physikstudiums stellt der Erwerb literaler Fähigkeiten für das Verfassen wissenschaftlicher Arbeiten dar. Die Student:innen werden allerdings im Rahmen ihres Studiums bisher kaum systematisch beim Erwerb dieser Fähigkeiten unterstützt. Eine Übungsgelegenheit für das Verfassen von Texten nach wissenschaftlichem Vorbild stellt das Laborpraktikum dar, in dem die Student:innen zu den absolvierten Experimenten Laborberichte verfassen. Im Paderborner Physik Praktikum 3P wurden in den letzten Jahren vier unterschiedliche Unterstützungsangebote für das Erlernen des wissenschaftlichen Schreibens entwickelt und mittels Zufriedenheitswerten evaluiert. In dem Beitrag werden die vier Angebote auf inhaltlicher Ebene hinsichtlich der Lernwirksamkeit mittels einer schriftproduktbasierten Evaluation analysiert. Durch die vergleichende Analyse können Potenziale und Grenzen der Angebote diskutiert und Implikationen für die Gestaltung von Unterstützungsangeboten zum Erlernen des wissenschaftlichen Schreibens in der Physik abgeleitet werden

PSΦ: Forschungsprogramm zur Studieneingangsphase im Physikstudium

Die Studieneingangsphase Physik fordert von den Studienanfängern den Aufbau vielfältiger Fähigkeiten und Fertigkeiten. Diese umfassen fachliche Aspekte, z. B. den Erwerb von Fachwissen, Problemlösefähigkeiten und experimenteller Kompetenz auf universitärem Niveau. Parallel dazu müssen Prozesse der Identitätsaushandlung, Sozialisation und Enkulturation in zunächst noch neuer Lernumgebung und Fachkultur durchlaufen werden. Diese vielfältigen und von den Studierenden oft als nicht trivial empfundenen Lern- und Umstellungsprozesse finden innerhalb kürzester Zeit statt, was eine erhebliche Belastung bedeutet.Aktuell wird die Paderborner Studieneingangsphase nach und nach inhaltlich und strukturell überarbeitet und aus verschiedenen Blickwinkeln qualitativ und quantitativ erforscht. Insgesamt liefert dieses Forschungsprogramm einen breitgefächerten Überblick über die vielfältigen Aspekte und Wirkungen der Studieneingangsphase sowie Hinweise auf verschiedene Verbesserungsmöglichkeiten

PSΦ: Forschungsprogramm zur Studieneingangsphase im Physikstudium

Die Studieneingangsphase Physik fordert von den Studienanfängern den Aufbau vielfältiger Fähigkeiten und Fertigkeiten. Diese umfassen fachliche Aspekte, z. B. den Erwerb von Fachwissen, Problemlösefähigkeiten und experimenteller Kompetenz auf universitärem Niveau. Parallel dazu müssen Prozesse der Identitätsaushandlung, Sozialisation und Enkulturation in zunächst noch neuer Lernumgebung und Fachkultur durchlaufen werden. Diese vielfältigen und von den Studierenden oft als nicht trivial empfundenen Lern- und Umstellungsprozesse finden innerhalb kürzester Zeit statt, was eine erhebliche Belastung bedeutet.Aktuell wird die Paderborner Studieneingangsphase nach und nach inhaltlich und strukturell überarbeitet und aus verschiedenen Blickwinkeln qualitativ und quantitativ erforscht. Insgesamt liefert dieses Forschungsprogramm einen breitgefächerten Überblick über die vielfältigen Aspekte und Wirkungen der Studieneingangsphase sowie Hinweise auf verschiedene Verbesserungsmöglichkeiten

How do physics students evaluate artificial intelligence responses on comprehension questions? A study on the perceived scientific accuracy and linguistic quality of ChatGPT

This study aimed at evaluating how students perceive the linguistic quality and scientific accuracy of ChatGPT responses to physics comprehension questions. A total of 102 first- and second-year physics students were confronted with three questions of progressing difficulty from introductory mechanics (rolling motion, waves, and fluid dynamics). Each question was presented with four different responses. All responses were attributed to ChatGPT, but in reality, one sample solution was created by the researchers. All ChatGPT responses obtained in this study were wrong, imprecise, incomplete, or misleading. We found little differences in the perceived linguistic quality between ChatGPT responses and the sample solution. However, the students rated the overall scientific accuracy of the responses significantly differently, with the sample solution being rated best for the questions of low and medium difficulty. The discrepancy between the sample solution and the ChatGPT responses increased with the level of self-assessed knowledge of the question content. For the question of highest difficulty (fluid dynamics) that was unknown to most students, a ChatGPT response was rated just as good as the sample solution. Thus, this study provides data on the students’ perception of ChatGPT responses and the factors influencing their perception. The results highlight the need for careful evaluation of ChatGPT responses both by instructors and students, particularly regarding scientific accuracy. Therefore, future research could explore the potential of similar “spot the bot” activities in physics education to foster students’ critical thinking skills

Exploring digital signal processing using an interactive Jupyter notebook and smartphone accelerometer data

Digital signal processing is a valuable practical skill for the contemporary physicist, yet in physics curricula, its central concepts are often introduced either in method courses in a highly abstract and mathematics-oriented manner or in lab work with little explicit attention. In this paper, we present an experimental task in which we focus on a practical implementation of the discrete Fourier transform (DFT) in an everyday context of vibration analysis using data collected by a smartphone accelerometer. Students are accompanied in the experiment by a Jupyter notebook companion, which serves as an interactive instruction sheet and a tool for data analysis. The task is suitable for beyond-first-year university physics students with some prior experience in uncertainty analysis, data representation, and data analysis. Based on our observations the experiment is very engaging. Students have consistently reported interest in the experiment and they have found it a good demonstration of the DFT method.peerReviewe

DigiPhysLab : Digital Physics Laboratory Work for Distance Learning

Pursuing a broad range of learning objectives, effective physics laboratory courses need conducive-to-learning, motivating, and engaging experimental tasks. The Covid-19 pandemic has further increased the demand for quality experimental tasks which can also be used in online learning scenarios. The EU-funded DigiPhysLab-project meets this need by developing a set of 15 competence-centred experimental tasks which can be implemented by instructors effortlessly in their own lab courses, independent of whether they are held on-campus or in distance learning. For this, the project utilizes the broad availability of digital technologies like smartphones which allow an inexpensive data collection and analysis also outside a traditional laboratory. The developed tasks are characterized by a framework for design principles of experimental tasks derived from literature. In this conference proceedings, the general rationale and outline of the DigiPhysLab-project are described and exemplified by an experiment that is already developed, i.e., the Slamming Door experiment.peerReviewe