Ist die Luft zu schlecht zum Lernen? Nichtdispersive IR-CO2-Gassensoren im Physikunterricht

Mit dem Einsatz von Sensoren im Physikunterricht können Lernende Erfahrungen mit physikalischen Gesetzmäßigkeiten und Prinzipien in konkreten Anwendungen sammeln. Grundsätzlich können den Sensoren dabei zwei Funktionen zukommen. Erstens, können sie als Messgerät eingesetzt werden. In dieser Funktion ermöglichen sie auch das Einbringen von authentischen Problemstel­lungen und Modellierungs­aufgaben in den Unter­richt. Zweitens, können sie der Lerngegen­stand im Unterricht sein. Im Vordergrund stehen dann der Aufbau und das Funktionsprinzip des Sensors. Der Fokus dieses Beitrags ist auf den Einsatz von NDIR-CO2-Gassensoren (NDIR = Nichtdispersive Infrarotsensoren) im Physikunterricht der Sekundarstufe I gerichtet. Dazu wird ein kontextorientiertes Unterrichtskonzept vorgestellt, das beide Funktionen berücksichtigt. Dem Unterrichtskon­zept liegen Aspekte des situierten Lernens, vor allem des anchored instruction Ansatzes, und des Lernens mit Texten und Bildern zu Grunde. Als Messgerät wird der Sensor zum Thema „Luftqualität von Innenräumen“ eingesetzt. In dieser Funktion verhilft er zur Entwicklung eines Modells, das den Anstieg der CO2-Konzentration in einer Schulstunde vorhersagt. Außerdem werden einige weitere Einsatzmöglichkeiten des Sensors als Messgerät in anderen Kontexten vorgestellt und auf entsprechende Literatur verwiesen. Der Einsatz des Sensors als Lerngegenstand schließt sowohl Betrachtungen zu den wesentlichen Bau­teilen des Sensors, wie beispielsweise IR-Detektoren als auch die Erarbeitung des Funktionsprin­zips ein. Dabei kann auf grundlegende physikalische Sachverhalte eingegangen werden (angefangen von elektromagnetischen Spektren bis hin zum Lambert-Beerschen Gesetz).

Digitales Experimentieren mit individuellem feedback

Das selbstständige Arbeiten mit Experimenten ist ein wichtiger Bestandteil des Physikunterrichtes. Allerdings sind Experimentiermöglichkeiten in verschiedenen Themenfeldern stark eingeschränkt, da die nötigen Geräte bspw. sehr teuer sind. Hier können digitale Experimente helfen, Schülerinnen und Schüler zu aktivieren und ihnen eigene Erfahrungen zu ermöglichen. Darüber hinaus bieten digitale Experimente allen Nutzern direkt im Lernprozess ein individuelles Feedback über ihre Arbeit. Auch bei der Diagnose von experimentellen Kompetenzen können solche Experimente in bestimmten Teilbereichen von Nutzen sein.In einer browserbasierten Lernumgebung wurden Teile des klassischen Experimentierprozesses, wie bspw. das Prüfen und Bewerten von Hypothesen, nachgebildet. Bei den dabei zu bearbeitenden Aufgaben wurden unterschiedliche Feedbackformate eingesetzt. Eine explorative Studie zum Einsatz in der Schule zeigte am Beispiel der Ablenkung von Elektronen im elektrischen Feld, dass die Schülerinnen und Schüler unterschiedliche Hypothesen bzgl. des Einflusses verschiedener Parameter auf die Flugbahn der Elektronen auswählten. Das anschließende Prüfen der Hypothesen gelang nicht allen Nutzern vollständig. Einige Probanden hielten an ihrer nicht zutreffenden Hypothese fest. Im Post-Test, nach der vollständigen Bearbeitung der Lernumgebung, zeigten sich diese falschen Vorstellungen jedoch kaum noch. Es ist daher zu vermuten, dass sich auch beim digitalen Experimentieren eine Vorstellung mehrfach als unpassend herausstellen muss, bevor diese revidiert wird

Aufgabenformate und Kontextorientierung beim Physiklernen mit Sensoren

In einer Interventionsstudie wurden Auswirkungen verschieden kodierter Übungsaufgaben auf dasLernen im Physikunterricht und die Eignung authentischer Anwendungskontexte aus der Sensorikals Lernanker untersucht. An der Studie nahmen 170 Schülerinnen und Schüler aus drei Realschulenin Baden-Württemberg teil. Ein 3x2 faktorielles Design mit den beiden Faktoren ‚Aufgabenformat‘(bild- oder textbasiert oder gemixt) und ‚Lernanker‘ (authentische Anwendung des Sensorsoder kein Anwendungsbezug) wurde realisiert. Für die Analyse wurden zu drei Messzeitpunktenunter anderem der Erwerb deklarativen Wissens, die Transferleistung, die Motivation sowiedie Einschätzung der Authentizität, der kognitiven Aktivierung und der inhaltlichen Relevanz erfasst.Das Aufgabenformat erwies sich im Rahmen einer MANOVA als ein statistisch signifikanterund in seiner Größe bedeutungsvoller Einflussfaktor auf den Erwerb deklarativen Wissens.Gleichzeit konnte beispielhaft für den Anwendungskontext „Raumluftqualität im Klassenzimmer“gezeigt werden, dass sich authentische Anwendungskontexte aus der Sensorik als Lernanker eignen.Die Ergebnisse der multivarianten Tests zeigten signifikante Effekte mittlerer Größe auf dieTransferleistung und die Motivation

Pulsoximetrie im Physikunterricht

Sensoren erschließen authentische Kontexte zu verschiedenen Themen und Basiskonzepten des Physikunterrichts. Sie ermöglichen darüber hinaus das Einüben naturwissenschaftlicher Arbeits-weisen. Lernende können Hypothesen über elementare physikalische Wirkprinzipien der betrach-teten Sensoren entwickeln und diese mit Hilfe einfacher Experimente überprüfen. Der vorliegende Beitrag betrachtet die Bestimmung der partiellen Sauerstoffsättigung im menschlichen Blut mit ei-nem Pulsoximeter. Als Sensoren dienen einfache Fingerpulsoximetrie-Geräte. Messverfahren und geeignete Geräte für den Physikunterricht werden beschrieben und ein unterrichtliches Vorgehen wird skizziert. Nach einer kurzen Sequenz zum medizinisch-biologischen Hintergrund erarbeiten die Lernenden in dem vorgestellten Unterrichtskonzept mit Hilfe einfacher Experimente die physi-kalische Funktionsweise eines Pulsoximeters. Zur Vertiefung und Festigung überprüfen die Ju-gendlichen Hypothesen, die sie zuvor unter Verwendung des Erlernten aufgestellt haben. Dabei werden speziell auch Störeinflüsse und Grenzen des Messverfahrens untersucht. Schließlich vertie-fen die Schülerinnen und Schüler den Erkenntnisgewinn mit Aufgaben zu Abbildungen und Dia-grammen und bewerten anhand kontextorientierter Anwendungsaufgaben insbesondere die Eig-nung des pulsoximetrischen Messverfahrens für das Höhenbergsteigen. Fachspezifische Darstel-lungsformen und Diskussionen fördern den Kompetenzbereich Kommunikation

Lernaktivitäten steuern durch Aufgaben: Relevanz, Initiierung und Erhebung

Die Ergebnisse einer Interventionsstudie (N=177) zeigten, inwieweit sich die kognitiven Lernaktivitäten von Schülerinnen und Schülern bei der Bearbeitung von Übungsaufgaben durch die Aufgabenform steuern und durch die Aufgabencodierung unterstützen lassen.Im Rahmen einer Unterrichtseinheit zum Thema "Anwendungen von CO2-Gassensoren" bearbeiteten die Probanden in zwei Übungsphasen unterschiedliche Aufgaben zum Aufbau und zur Funk­tionsweise von CO2-Sensoren. In jeder Klasse erfolgte eine zufällige Einteilung der Teilnehmer/-innen nach dem Codierformat der Aufgaben. Eine Gruppe bearbeitete ausschließlich bildhaft codierte Aufgaben, eine zweite ausschließlich textbasierte Aufgaben und eine dritte Gruppe einen Aufgabenmix, bestehend aus text- und bildbasierten Aufgaben.Die Ergebnisse der multivariaten Varianzanalyse zeigten u.a. einen signifikanten Effekt mittlerer Effektstärke des Faktors Codierformat der Aufgaben auf den Wissenserwerb und auf die Transferleistung von Faktenwissen.Die Analyse der Aufgabenbearbeitung ergab zwei Hauptergebnisse. Erstens gibt es Aufgaben, die eine erfolgreiche Durchführung bestimmter Lernaktivitäten begünstigen. Zweitens beeinflusst die Aufgabencodierung die korrekte Bearbeitung bestimmter Aufgaben. Schülerinnen und Schüler, die mit bildhaft codierten Aufgaben übten, hoben beispielsweise Kernaussagen häufiger korrekt hervor und fassten wesentliche Aussagen besser zusammen als Lernende, die mit textbasierten Aufgaben oder mit dem Aufgabenmix übten

Kontextorientierte Anker aus der Alltags- und Umweltsensorik - Erste Resultate einer Interventionsstudie

Ein Blick in die fachdidaktische Literatur zum Physikunterricht der letzten Jahre macht deutlich, dass themenbezogenen Kontexten ein hohes Interesse entgegengebracht wird. Gleichzeitig führen sie nicht selten zu kontroversen Diskussionen. Das Spektrum an interessanten Kontexten erstreckt sich von einfachen Anwendungsbeispielen physikalischer Gesetzmäßigkeiten und Begriffe bis zu modernen Alltagstechnologien und deren Einsatzbereiche. Dabei soll die Kontextorientierung nicht nur Interesse wecken und zu tiefgründigen Betrachtungen motivieren. Sie soll auch die Anwendbarkeit physikalischer Begriffe und Gesetzmäßigkeiten konkret zeigen und damit zu aktiv nutzbarem Wissen führen. In einer Interventionsstudie mit 217 Schülerinnen und Schülern wurden die Auswirkungen kontextorientierter Ankermedien und unterschiedlicher Aufgabenformate auf den Wissenserwerb, die Transferleistung und die Motivation im Physikunterricht der 9. Klassenstufe untersucht. Basierend auf Prinzipien des anchored instruction Ansatzes wurde eine Unterrichtseinheit zum Thema NDIR-CO2-Gassensoren entwickelt. Das kontextorientierte Ankermedium war die Anwendung des Sensors in einer authentischen Situation. Eine multivariate Varianzanalyse zeigte einen signifikanten Einfluss des Faktors Ankermedium auf die Transferleistung, die Motivation und die Einschätzung der wahrgenommenen inhaltlichen Relevanz. Das Aufgabenformat beeinflusste indessen weder die Motivation noch die Transferleistung und den Wissenserwerb.

Kontextorientierte Anker aus der Alltags- und Umweltsensorik - Erste Resultate einer Interventionsstudie

Ein Blick in die fachdidaktische Literatur zum Physikunterricht der letzten Jahre macht deutlich, dass themenbezogenen Kontexten ein hohes Interesse entgegengebracht wird. Gleichzeitig führen sie nicht selten zu kontroversen Diskussionen. Das Spektrum an interessanten Kontexten erstreckt sich von einfachen Anwendungsbeispielen physikalischer Gesetzmäßigkeiten und Begriffe bis zu modernen Alltagstechnologien und deren Einsatzbereiche. Dabei soll die Kontextorientierung nicht nur Interesse wecken und zu tiefgründigen Betrachtungen motivieren. Sie soll auch die Anwendbarkeit physikalischer Begriffe und Gesetzmäßigkeiten konkret zeigen und damit zu aktiv nutzbarem Wissen führen. In einer Interventionsstudie mit 217 Schülerinnen und Schülern wurden die Auswirkungen kontextorientierter Ankermedien und unterschiedlicher Aufgabenformate auf den Wissenserwerb, die Transferleistung und die Motivation im Physikunterricht der 9. Klassenstufe untersucht. Basierend auf Prinzipien des anchored instruction Ansatzes wurde eine Unterrichtseinheit zum Thema NDIR-CO2-Gassensoren entwickelt. Das kontextorientierte Ankermedium war die Anwendung des Sensors in einer authentischen Situation. Eine multivariate Varianzanalyse zeigte einen signifikanten Einfluss des Faktors Ankermedium auf die Transferleistung, die Motivation und die Einschätzung der wahrgenommenen inhaltlichen Relevanz. Das Aufgabenformat beeinflusste indessen weder die Motivation noch die Transferleistung und den Wissenserwerb.

Wirkungen multimedialer Einblendungen beim Experimentieren am Computer

Durch den Einsatz von Multimedia bieten sich vielfältige Möglichkeiten, Schülerinnen und Schülern Informationen und Hilfen direkt in ihrem Lernprozess darzubieten - von statischem Text über Bilder und Animationen bis hin zu Virtual-Reality-Elementen. Insbesondere bei der Kombination mit dem Experimentieren müssen jedoch Aspekte wie der Cognitive Load besonders beachtet werden. An einem Experiment zur Ablenkung von Elektronen im E-Feld wurde in einem 2x2 Design untersucht, wie sich verschiedene Einblendungen und eine Sequenzierung der Aufgaben auf den Erfolg im Hypothesenprüfen, den Cognitive Load und verschiedene motivationale Aspekte auswirken. Dabei zeigte sich, dass grafische Einblendungen über dem Experiment zu signifikant höheren Erfolgsquoten beim Hypothesenprüfen führten, wohingegen eine Sequenzierung der Aufgaben keine Auswirkungen zeigte. Ebenso verursachten die grafischen Einblendungen über den Bildern des Experimentes keinen höheren Cognitive Load. Hieraus werden Implikationen für die Gestaltung weiterer Experimentierumgebungen am Computer abgeleitet und erste Weiterentwicklungen vorgestellt