Inhaltsvalidität eines Testinstruments zur Erfassung deklarativen Wissens zur Quantenoptik

In der empirischen Unterrichtsforschung wird im Kontext von Testentwicklung oft von der Validierung  eines Testinstruments gesprochen. Die Debatte über das Testgütekriterium Validität führte zu einer Verschiebung der Auffassung von Validität. Heute ist weniger von der Validität als Eigenschaft eines Tests die Rede. Vielmehr steht eine valide Testwertinterpretation im Zentrum der Sicherung von Testqualität. Dass ein Testverfahren valide Testwertinterpretation erlaubt, muss argumentativ abgeleitet werden. Die erforderlichen Argumentationsstränge sind dabei nicht standardisierbar. Insbesondere für Forschungsbereiche, in denen es nur wenig belastbare theoretische Vorarbeiten gibt, birgt das Hürden. Hier setzt dieser Artikel an: anhand eines „best-practice“-Beispiels aus der Didaktik der Quantenphysik wird aufgezeigt, wie ein solcher argumentativer Prozess methodisch erfolgen kann. Zunächst wird der Bedarf einer Neuentwicklung eines Testinstruments für die summative Evaluation eines Unterrichtskonzepts zur Quantenoptik begründet. Die Testentwicklung wird beschrieben. Inwiefern eine valide Testwertinterpretation möglich ist, wird argumentativ abgeleitet: Die Ergebnisse von einer Studie zum Lauten Denkens, sowie einer Expertenbefragung werden mit Ergebnissen einer quantitativen Pilotstudie kombiniert

Von Koinzidenzen zu Wesenszügen der Quantenphysik: Erste Ergebnisse einer summativen Evaluation des Erlanger Unterrichtskonzepts zur Quantenoptik

Mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wird das Ziel verfolgt, eine moderne Sichtweise auf die Quantenphysik zu vermitteln. Lernende sollen anschlussfähiges Wissen bis hin zu den Wesenszügen der Quantenphysik aufbauen. Im Rahmen einer summativen Evaluation mit Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe wird das Konzept evaluiert. Ein mixed-methods-Ansatz wurde gewählt, um verschiedene Perspektiven auf die Lernprozesse nachzeichnen zu können. Erste Ergebnisse aus einem Fragebogen zum deklarativen Wissen in Quantenoptik im Prä-Post-Follow-Up-Testdesign sowie einem Vorstellungsfragebogen zur Quantenphysik werden vorgestellt. Es zeigt sich: Lernende gelangen zu einem angemessenen Begriffsverständnis zur Quantenoptik und bauen ein überwiegend adäquates Verständnis der Wesenszüge auf, aber eine Teilchenvorstellung von Photonen scheint stabil zu sein

Inhaltsvalidität eines Testinstruments zur Erfassung deklarativen Wissens zur Quantenoptik

In der empirischen Unterrichtsforschung wird im Kontext von Testentwicklung oft von der Validierung  eines Testinstruments gesprochen. Die Debatte über das Testgütekriterium Validität führte zu einer Verschiebung der Auffassung von Validität. Heute ist weniger von der Validität als Eigenschaft eines Tests die Rede. Vielmehr steht eine valide Testwertinterpretation im Zentrum der Sicherung von Testqualität. Dass ein Testverfahren valide Testwertinterpretation erlaubt, muss argumentativ abgeleitet werden. Die erforderlichen Argumentationsstränge sind dabei nicht standardisierbar. Insbesondere für Forschungsbereiche, in denen es nur wenig belastbare theoretische Vorarbeiten gibt, birgt das Hürden. Hier setzt dieser Artikel an: anhand eines „best-practice“-Beispiels aus der Didaktik der Quantenphysik wird aufgezeigt, wie ein solcher argumentativer Prozess methodisch erfolgen kann. Zunächst wird der Bedarf einer Neuentwicklung eines Testinstruments für die summative Evaluation eines Unterrichtskonzepts zur Quantenoptik begründet. Die Testentwicklung wird beschrieben. Inwiefern eine valide Testwertinterpretation möglich ist, wird argumentativ abgeleitet: Die Ergebnisse von einer Studie zum Lauten Denkens, sowie einer Expertenbefragung werden mit Ergebnissen einer quantitativen Pilotstudie kombiniert

Von Schnee- und Elektronenlawinen: Entwicklung eines Erklärvideos zu Einzelphotonendetektoren

Analogiebildung ist ein methodisches Werkzeug zur Förderung naturwissenschaftlicher Lernprozesse. Für das Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wurde zur Vermittlung des Lernbereichs Einzelphotonendetektoren eine Analogie erarbeitet. Die Funktionsweise der Einzelphotonendetektoren wird dabei mit dem Entstehen und Abgehen von Schneelawinen verglichen. Mittels eines für die Vermittlung dieser Analogie konzipierten Erklärvideos werden die Schülerinnen und Schülern im Rahmen einer Unterrichtssequenz schrittweise durch die funktionalen Zusammenhänge und Entsprechungen geführt. Die Akzeptanz der Analogie als Lernhilfe wurde in Akzeptanzbefragungen mit Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe evaluiert

Von Schnee- und Elektronenlawinen: Entwicklung eines Erklärvideos zu Einzelphotonendetektoren

Analogiebildung ist ein methodisches Werkzeug zur Förderung naturwissenschaftlicher Lernprozesse. Für das Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wurde zur Vermittlung des Lernbereichs Einzelphotonendetektoren eine Analogie erarbeitet. Die Funktionsweise der Einzelphotonendetektoren wird dabei mit dem Entstehen und Abgehen von Schneelawinen verglichen. Mittels eines für die Vermittlung dieser Analogie konzipierten Erklärvideos werden die Schülerinnen und Schülern im Rahmen einer Unterrichtssequenz schrittweise durch die funktionalen Zusammenhänge und Entsprechungen geführt. Die Akzeptanz der Analogie als Lernhilfe wurde in Akzeptanzbefragungen mit Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe evaluiert

Pulmonary Hypertension in Adults with Congenital Heart Disease: Real-World Data from the International COMPERA-CHD Registry

Introduction: Pulmonary hypertension (PH) is a common complication in patients with congenital heart disease (CHD), aggravating the natural, post-operative, or post-interventional course of the underlying anomaly. The various CHDs differ substantially in characteristics, functionality, and clinical outcomes among each other and compared with other diseases with pulmonary hypertension. Objective: To describe current management strategies and outcomes for adults with PH in relation to different types of CHD based on real-world data. Methods and results: COMPERA (Comparative, Prospective Registry of Newly Initiated Therapies for Pulmonary Hypertension) is a prospective, international PH registry comprising, at the time of data analysis, >8200 patients with various forms of PH. Here, we analyzed a subgroup of 680 patients with PH due to CHD, who were included between 2007 and 2018 in 49 specialized centers for PH and/or CHD located in 11 European countries. At enrollment, the patients’ median age was 44 years (67% female), and patients had either pre-tricuspid shunts, post-tricuspid shunts, complex CHD, congenital left heart or aortic disease, or miscellaneous other types of CHD. Upon inclusion, targeted therapies for pulmonary arterial hypertension (PAH) included endothelin receptor antagonists, PDE-5 inhibitors, prostacyclin analogues, and soluble guanylate cyclase stimulators. Eighty patients with Eisenmenger syndrome were treatment-naïve. While at inclusion the primary PAH treatment for the cohort was monotherapy (70% of patients), with 30% of the patients on combination therapy, after a median observation time of 45.3 months, the number of patients on combination therapy had increased significantly, to 50%. The use of oral anticoagulants or antiplatelets was dependent on the underlying diagnosis or comorbidities. In the entire COMPERA-CHD cohort, after follow-up and receiving targeted PAH therapy (n = 511), 91 patients died over the course of a 5-year follow up. The 5-year Kaplan–Meier survival estimate for CHD associated PH was significantly better than that for idiopathic PAH (76% vs. 54%; p < 0.001). Within the CHD associated PH group, survival estimates differed particularly depending on the underlying diagnosis and treatment status. Conclusions: In COMPERA-CHD, the overall survival of patients with CHD associated PH was dependent on the underlying diagnosis and treatment status, but was significantly better as than that for idiopathic PAH. Nevertheless, overall survival of patients with PAH due to CHD was still markedly reduced compared with survival of patients with other types of CHD, despite an increasing number of patients on PAH-targeted combination therapy

Single nucleotide polymorphism in 5'-flanking region reduces transcription of surfactant protein B gene in H441 cells

Surfactant Protein B (SP-B) ist ein in Typ-II-Zellen der Lunge gebildetes 8 kDa schweres Protein, das für die Funktion des Surfactants und damit für die Lungenfunktion äußerst bedeutsam ist. Ein SP-B Gehalt von unter 50% des normalen Gehaltes führt in humanen Lungen und Tiermodellen zu einer reduzierten Surfactantfunktion. Es ist bekannt, daß der Gehalt von SP-B mRNA in Lungen individuell unterschiedlich ist und es liegt die Vermutung nahe, daß dieser Umstand genetisch determiniert ist. Innerhalb des SP-B Gens wurden bisher zahlreiche Polymorphismen beschrieben. Untersuchungen über Polymorphismen im Bereich der regulatorischen Elemente des SP-B Gens, der sog. 5’-flankierenden Region, wurden bisher jedoch nicht demonstriert. Wir suchten daher nach Mutationen in der 5’-flankierenden Region des SP-B Gens und konnten eine Punktmutation in der Consensussequenz des am weitesten stromabwärts gelegenen TTF-1 Bindungselementes der Enhancerregion von SP-B charakterisieren. Diese Punktmutation ist an Position -384 vor Transkriptionsbeginn lokalisiert. In einem kleinen Patientenkollektiv (n=53) zeigte sich bei 15 Patienten (28%) eine heterozygote Mutation, bei einem Patienten (2%) konnte eine Homozygotie identifiziert werden. Zur Untersuchung der funtktionellen Bedeutung der Punktmutation führten wir EMSA-Versuche mit nukleären Extrakten aus H441 Zellen durch. Dabei zeigte sich eine reduzierte Bindungsaktivität der mutierten Sequenz gegenüber der Wildtypsequenz. In Reportergenassays mit einem Luciferasereportergen in transfizierten H441 Zellen zeigte sich eine etwa 50%ige Reduktion der Transkriptionsaktivität des Mutationskonstruktes gegenüber dem Wildtypkonstrukt. Die Stimulation durch Retinsäure führte zu einer erhöhten Reportergenaktivität beider Konstrukte. Allerdings zeigte das Mutationskonstrukt gegenüber dem Wildtypkonstrukt nach wie vor eine reduzierte Transkriptionsaktivität. Aus diesen Untersuchungen schlossen wir, daß die beschriebene Punktmutation eine veränderte Transkriptionsaktivität bedingt und damit zu einem individuell unterschiedlichen Gehalt von SP-B mRNA beitragen könnte.Surfactant protein B (SP-B), a 8 kDa protein, that is expressed in typ 2 alveolar cells is very essential for surfactant function and therefore lung function. Abnormal surfactant function occurs in humans and genetically engineered mice with SP-B levels below 50% of normal. SP-B mRNA levels vary in fetal lung explants among individuals, possibly due to genetic variety. Polymorphisms within the SP-B gene have been described extensively. Polymorphisms within the 5'-flanking region have been not described so far. We characterized a single nucleotide polymorphism (SNP) found in the upstream enhancer of SP-B, consisting of a single base pair change in the consensus sequence of the most downstream-located thyroid transcription factor 1 binding element in the upstream enhancer of the SP-B 5'-flanking region and located at position 384 upstream of the transcriptional start site of the SP-B gene. In a small patient population (n = 53) we found 70% were homozygous for the wild type (WT), one individual (2%) was homozygous for the polymorphism (Pm), and 28% were heterozygous. To further elucidate possible functions we performed electromobility shift assays with extracts from H441 cells that showed a reduced binding affinity of the mutated sequence compared with WT. In reporter gene assays the Pm caused a reduction of 53% in transcriptional activity compared with WT in transfected H441 cells. Stimulation of these constructs with retinoic acid resulted in enhanced reporter gene activity of both constructs. After stimulation the Pm still exhibited a reduced activity compared with the WT sequence. We conclude that the described SNP causes differences in SP-B transcriptional activity and thus may contribute to individually different SP-B mRNA levels

Assessing Engineering Students’ Conceptual Understanding of Introductory Quantum Optics

Quantum technologies have outgrown mere fundamental research in laboratories over recent years, and will facilitate more and more potentially disruptive applications in a wide range of fields in the future. In foresight, qualification opportunities need to be implemented in order to train qualified specialists, referred to as the future quantum workforce, in various fields. Universities world-wide have launched qualification programmes for engineers focusing on quantum optics and photonics. In many of these programmes, students attend courses on quantum physics contextualized via quantum optics experiments with heralded photons, because: (1) their experimental and physical foundations may be directly leveraged to teaching a number of quantum technology applications, and (2) physics education research has provided empirical evidence, according to which such quantum optics-based approaches are conducive to learning about quantum concepts. While many teachers are confident about the effectiveness of their concepts, there is little empirical evidence due to the lack of content-area-specific research tools. We present a 16-item concept inventory to assess students’ conceptual understanding of quantum optics concepts in the context of experiments with heralded photons adopted from a test instrument published in the literature. We have administered this Quantum Optics Concept Inventory as a post-test to N=216 students after instruction on quantum optics as part of an undergraduate engineering course. We evaluated the instruments’ psychometric quality, both in terms of classical test theory, and using a Rasch scaling approach. The Quantum Optics Concept Inventory enables a reliable measure (α=0.74), and the data gathered show a good fit to the Rasch model. The students’ scores suggest that fundamental quantum effects pose striking learning hurdles to the engineering students. In contrast, most of the students are able to cope with the experimental and technical foundations of quantum optics experiments with heralded photons and their underlying principles, such as the coincidence technique used for the preparation of single-photon states. These findings are in accordance with prior research, and hence, the Quantum Optics Concept Inventory may serve as a fruitful starting point for future empirical research with regard to the education of the future quantum workforce