Schüler- und Lehrerexperimente im Optikeingangsunterricht an Gymnasien

Das in diesem Artikel vorgestellte Forschungsprojekt geht für den Physikunterricht der Frage nach, ob Unterschiede im Hinblick auf den Fachwissenszuwachs bei Schülerinnen und Schülern nachweisbar sind, wenn von diesen entweder Schülerexperimente durchgeführt werden oder Lehrerexperimente beobachtet werden. Mit ihrem physikalischen Inhalt fokussiert die Studie auf den Eingangsoptikunterricht der 7. Klasse an Gymnasien. Die untersuchten Experimente dieser Schulphase haben im überwiegenden Maße die Funktion, Phänomene darzustellen oder physikalische Konzepte zu veranschaulichen. Geprüft werden soll, ob das Schülerexperiment im üblichen Physikunterricht zu den oft erhofften Vorteilen im Fachwissenszuwachs führt. Da die Vermutung besteht,dass nicht die eine oder andere Methode per se besser ist, wird der Wissenszuwachs mittels Aufgaben unterschiedlicher Komplexität (die sich grob in Fakten-, Zusammenhangs- und konzeptuelles Wissen unterscheidet) gemessen und überprüft, ob sich unterschiedlich stark ausgeprägtes Wissen auf den Komplexitätsstufen durch die Unterrichtsmethode erklären lässt. Für die verschiedenen Inhaltsbereiche – in unserem Fall die geometrische Optik – gibt es nicht dasSchülerexperiment oder das Lehrerexperiment an sich. Der Entscheidung für eine Verwendung ausgesuchter Experimente und deren Umsetzung als Schüler- oder Lehrerexperiment in der Studie liegen vier Kriterien zu Grunde. Neben der Vorstellung des Studiendesigns wird das Ergebnis dieses Entscheidungsprozesses im Artikel dargelegt

ChASE: Chebyshev Accelerated Subspace iteration Eigensolver for sequences of Hermitian eigenvalue problems

Solving dense Hermitian eigenproblems arranged in a sequence with direct solvers fails to take advantage of those spectral properties which are pertinent to the entire sequence, and not just to the single problem. When such features take the form of correlations between the eigenvectors of consecutive problems, as is the case in many real-world applications, the potential benefit of exploiting them can be substantial. We present ChASE, a modern algorithm and library based on subspace iteration with polynomial acceleration. Novel to ChASE is the computation of the spectral estimates that enter in the filter and an optimization of the polynomial degree which further reduces the necessary FLOPs. ChASE is written in C++ using the modern software engineering concepts which favor a simple integration in application codes and a straightforward portability over heterogeneous platforms. When solving sequences of Hermitian eigenproblems for a portion of their extremal spectrum, ChASE greatly benefits from the sequence's spectral properties and outperforms direct solvers in many scenarios. The library ships with two distinct parallelization schemes, supports execution over distributed GPUs, and it is easily extensible to other parallel computing architectures.Comment: 33 pages. Submitted to ACM TOM

Charakteristische Merkmale von Physikunterricht: Wirkung auf (Un-)Beliebtheit, Interesse und Schwierigkeit

Fragt man Schüler*innen danach, welche Schulfächer zu ihren Lieblingsfächern zählen, dann wird Physik eher selten genannt. Tatsächlich zeigen Studien, dass Physik zu den unbeliebtesten Fächern zählt. Ebenso ist das Interesse an Physikunterricht gering, während dessen Schwierigkeitsgrad als besonders hoch eingeschätzt wird. Gründe für die Unbeliebtheit sind allerdings nur wenig untersucht. Entsprechend sollen in dieser Untersuchung Indizien für die Unbeliebtheit des Faches gefunden werden.Gearbeitet wird unter der Prämisse, dass Physikunterricht sich in seiner Methodik deutlich von anderen Schulfächern unterscheidet. Charakteristisch für Physikunterricht sind etwa das Experimentieren, das Denken in Modellen und ein hoher Abstraktionsgrad auf Grund von Mathematisierung und kontraintuitiver Fachsprache. Da Physikunterricht als unbeliebt und zusätzlich als wenig interessant sowie schwierig gilt, liegt die These nahe, dass mindestens eines seiner fachspezifischen Merkmale geringes Interesse und hohe Schwierigkeit hervorruft. Weiterhin ist ein Zusammenhang zwischen Interesse und Beliebtheit sowie zwischen Schwierigkeit und Beliebtheit zu vermuten.Zur Überprüfung obiger Hypothesen wurde ein Fragebogen entwickelt und von einer 9. Jahrgangsstufe eines hessischen Gymnasiums ausgefüllt. Die Ergebnisse der Erhebung werden vorgestellt und diskutiert

Fachwissenszuwachs durch Schüler- und Lehrerexperimente im gymnasialen Physikunterricht

In diesem Artikel wird ein Forschungsvorhaben vorgestellt, das durch die Fragestellung motiviert ist, ob im Hinblick auf den Fachwissenszuwachs das Schülerexperiment dem Lehrerexperiment im Physikunterricht überlegen ist. Der Studie liegt das Modell der Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz (KMK, 2004) zu Grunde. Das Modell betrachtet den Kompetenzbereich Fachwissen differenziert und unterscheidet zwischen Reproduktions-, Anwendungs- und Transferwissen.Neben dem Fachwissen wird auch das Interesse an Physik, das Interesse am Schülerexperiment und die Überzeugung der Schülerinnen und Schüler bezüglich der Lernförderlichkeit des Schülerexperiments erhoben. Erste Ergebnisse aus Vorstudien weisen darauf hin, dass auf höheren Anforderungsniveausdas Schülerexperiment Vorteile für den Fachwissenszuwachs birgt

Der Einfluss von Schüler- und Demonstrationsexperimenten auf den Lernzuwachs in Physik

Die aktuelle Forschungslage zum Einfluss des Experimentierens in den Naturwissenschaften auf die fachlichen Leistungen von Schülerinnen und Schülern beschreibt eine uneinheitliche Ausgangslage: Manche Studien sehen Schülerexperimente im Vorteil, andere beschreiben bessere Lernerfolge durch Demonstrationsexperimente. Leider sind diese Ergebnisse nur schwer miteinander zu vergleichen, da sich nicht nur die Designs der Studien stark voneinander unterscheiden, sondern oft auch Variablen, von denen ebenfalls ein Einfluss auf den Lernerfolg vermutet werden kann, nur unzureichend kontrolliert wurden.In der vorliegenden Vergleichsstudie wurde der Einfluss verschiedener Arten des Experimentierens im Physikunterricht auf den Lernzuwachs der Schülerinnen und Schüler (n = 858) untersucht. Die Forschungsfrage lautete, welche Art des Experimentierens zu einem besseren Verständnis der geometrischen Optik, insbesondere der Lichtbrechung, führen würde, namentlich Schülerexperimente oder Demonstrationsexperimente. Damit die Ergebnisse für den Schulalltag und z.B. die Lehrerbildung genutzt werden können, handelt es sich bei dieser Studie um eine Feldstudie mit einem Pre-Posttest-Design.Es konnte gezeigt werden, dass die Art des Experimentierens keinen signifikanten Einfluss auf den Lernerfolg hat. Allerdings zeigte sich, dass es wichtig ist, welche Lehrkraft mit welcher Art des Experimentierens unterrichtet. Diese Wechselwirkung führte zu (kleinen) Effekten zwischen unseren Vergleichsgruppen

Veränderungen von Schülervorstellungen durch Experimentieren

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Fachwissenszuwachs durch Schüler- und Demonstrationsexperimentein der geometrischen Optik“ (Winkelmann & Erb, 2014) wurde im Winter 2013/14 an 22 hessischenSchulklassen unter anderem der Lernzuwachs nach einer Intervention erhoben.Die Unterrichtseinheit wurde auf drei verschiedene Arten durchgeführt, wobei der Grad der Schüleraktivitätvariiert wurde: 1. Die Schülerinnen und Schüler erhielten eine detaillierte Experimentieranleitung(„Kochbuch“), 2. die Schülerinnen und Schüler erhielten einen Arbeitsauftrag zum Experimentieren(„Guided“), 3. die Lehrkraft führte die Experimente vor („Demo“). Das Ziel einer im Rahmen einer WissenschaftlichenHausarbeit zum Ersten Staatsexamen durchgeführten Fragebogenerhebung war es, herauszu finden, welche Auswirkung die Art des Experimentierens auf die Schülervorstellungen hat. In diesemArtikel werden die Ergebnisse der Erhebung vorgestellt. Hierzu wird der Fokus auf den Zusammenhangzwischen Antwort und der Begründung der Schülerinnen und Schüler gelegt. Zusätzlich wird die Einschätzungder Schülerinnen und Schüler darüber, wie sicher sie sich bei der Beantwortung der Fragen waren,diskutiert

Die Rolle der Schüleraktivität beim Experimentieren

Entgegen großer Hoffnungen seitens vieler Schülerinnen und Schüler sowie vieler Lehrkräfte fürden naturwissenschaftlichen Unterricht zeichnet eine Analyse der Forschungsarbeiten kein klaresBild darüber, ob für die Fachwissensvermittlung Schülerexperimente eher geeignet sind als Demonstrationsexperimente.Auch eigene Studien geben nicht Anlass dazu, einen Vorteil der einenExperimentiermethode vor der anderen zu vermuten.In diesem Beitrag werden die Ergebnisse einer Studie zum Einfluss von unterschiedlichen Experimentiersituationenauf das Erlernen fachlicher Inhalte vorgestellt. Eine erste Studie fand bereits imSchuljahr 2012/13 statt, die zweite Erhebung (deren Ergebnisse hier berichtet werden) wurde imSchuljahr 2013/14 durchgeführt. Abschließend wird ein kurzer Blick auf das aktuelle Interesse derSchülerinnen und Schüler geworfen, nachdem diese an einer dreiwöchigen Unterrichtsinterventionin drei verschiedenen Treatments teilgenommen hatten

Lernzuwachs durch Schüler- und Demonstrationsexperimente

Allgemein wird angenommen, dass das selbstständige Experimentieren durch Schülerinnen und Schüler in großem Maße zum Erfolg von Physikunterricht beitragen kann. Diese Einschätzung findet sich nicht allein in Überzeugungen von Schülerinnen und Schülern selbst (Behrendt 1990; Winkelmann & Erb 2011). Auch Lehrkräfte verbinden mit dem Einsatz von Schülerexperimenten die Hoffnung,  eine Vielzahl ihrer Unterrichtsziele im Physikunterricht erreichen zu können (Welzel et al. 1998).Der vorliegende Artikel beschreibt zunächst das Studiendesign eines Forschungsprojektes, das unter anderem der Frage nachgeht, welchen Einfluss die Schüleraktivität während des Experimentierens auf den Lernzuwachs von Schülerinnen und Schülern hat. Hierfür wird zwischen der Methode des Schülerexperiments und des (Lehrer-) Demonstrationsexperiments unterschieden. Ein weiterer Abschnitt stellt Ergebnisse einer umfangreichen Erhebung aus dem Schuljahr 2012/13 an hessischen Gymnasien vor. Abschließend wird ein Ausblick über den weiteren Verlauf der Studie gegeben

Charakteristische Merkmale von Physikunterricht: Wirkung auf (Un-)Beliebtheit, Interesse und Schwierigkeit

Fragt man Schüler*innen danach, welche Schulfächer zu ihren Lieblingsfächern zählen, dann wird Physik eher selten genannt. Tatsächlich zeigen Studien, dass Physik zu den unbeliebtesten Fächern zählt. Ebenso ist das Interesse an Physikunterricht gering, während dessen Schwierigkeitsgrad als besonders hoch eingeschätzt wird. Gründe für die Unbeliebtheit sind allerdings nur wenig untersucht. Entsprechend sollen in dieser Untersuchung Indizien für die Unbeliebtheit des Faches gefunden werden.Gearbeitet wird unter der Prämisse, dass Physikunterricht sich in seiner Methodik deutlich von anderen Schulfächern unterscheidet. Charakteristisch für Physikunterricht sind etwa das Experimentieren, das Denken in Modellen und ein hoher Abstraktionsgrad auf Grund von Mathematisierung und kontraintuitiver Fachsprache. Da Physikunterricht als unbeliebt und zusätzlich als wenig interessant sowie schwierig gilt, liegt die These nahe, dass mindestens eines seiner fachspezifischen Merkmale geringes Interesse und hohe Schwierigkeit hervorruft. Weiterhin ist ein Zusammenhang zwischen Interesse und Beliebtheit sowie zwischen Schwierigkeit und Beliebtheit zu vermuten.Zur Überprüfung obiger Hypothesen wurde ein Fragebogen entwickelt und von einer 9. Jahrgangsstufe eines hessischen Gymnasiums ausgefüllt. Die Ergebnisse der Erhebung werden vorgestellt und diskutiert