Lenaerts, Josephina

Van Zele, Els

Wieme, Willem

Undetermined

Van Zele, ElsCA20801001074232A02ED8EA-0CDC-11E2-A1B3-996E10BDE39D

Lenaerts, TineUGent801000170314976174129923F3455442-F0ED-11E1-A9DE-61C894A0A6B4

Wieme, WillemUGent801000104838972354784225F331913C-F0ED-11E1-A9DE-61C894A0A6B4

Archivsystem Ask23

Leren met simulatieprogramma's: kwantum tunneling modelleren in het practicum natuurkunde

Lenaerts, Tine

Ghent University Academic Bibliography

ORD 2005                                 divisie 9   ICT en onderwijs  Leren met simulatieprogramma’s: kwantum tunneling modelleren in het practicum fysica   E. Van Zele, J. Lenaerts, W. Wieme, Universiteit Gent Els.VanZele@UGent.be   Het Practicum Fysica voor de tweede Bachelor Natuurkunde en Sterrenkunde voorziet in een evenwichtige combinatie van traditionele practicumproeven, een selectie real-time metingen en een aantal simulatieprogramma’s, waardoor de studenten vanuit verschillende perspectieven met het onderzoek naar fysische concepten in aanraking komen. Reeds enkele jaren is het onderwerp kwantum tunneling, dat door middel van de Visual Quantum Mechanics (VQM) simulatieprogramma’s (Rebello et al., 1997, Zollman, 1998) wordt onderzocht, toegevoegd aan het curriculum van het practicum fysica voor deze 2de Bachelor.  Studenten bouwen per twee een mentaal model van het fenomeen kwantum tunneling en beschikken daarvoor over twee simulatieprogramma’s (Scanning Tunneling Microscope, STM.exe en Quantum Tunneling, QT.exe uit de VQM serie) die voor de ingestelde parameters het fysisch correcte resultaat tonen op het scherm. Daardoor verschuift de opdracht van dit practicum van het ‘berekenen en meten’ van een aantal effecten naar het ‘verklaren’ van waargenomen effecten, het ‘toetsen’ van hypothesen aan de hand van de simulaties en het opstellen van een 'mentaal model' voor het bestudeerde fenomeen, een activiteit die voor het aanleren van fysica bijzonder waardevol is. Er zijn twee benaderingen mogelijk (Van Zele, 2003, Van Zele et al., 2004):  1. de inductieve of recht-toe-recht-aan aanpak: studenten krijgen een reeks opdrachten die hen stapvoets langs de te onderzoeken karakteristieken leidt 2. de deductieve aanpak: de studenten beschikken over een aantal meetresultaten (potentiële energiediagramma) waarmee ze hun onderzoek naar de parameters die het fenomeen beschrijven (zoals tip-substraat afstand, aangelegde spanning aan substraat of tip, het materiaal waaruit het substraat is opgebouwd) kunnen aanvangen.  Als resultaat van beide benaderingen bouwen de studenten een mentaal model op voor kwantum tunneling en moeten ze de eenvoud van het Bohr-atoom model afwegen tegenover een meer omvattend, kwantum fysisch correcter probabilistisch atoommodel (Van Zele, 2003).  De opbouw van het kwantum tunneling simulatiepracticum bestaat uit een aantal fasen:  1. bekijken van informatie over het fenomeen kwantum tunneling om de student vertrouwd te maken met het onderwerp 2. studenten krijgen een korte beschrijving op papier hoe de simulatieprogramma's gebruikt en ingesteld kunnen worden (want het is niet de bedoeling dat de student leert 'hoe' het simulatieprogramma werkt, echter wel hoe hij met het simulatieprogramma kan 'leren').  3. de studenten voeren de modelleringsopdracht uit aan de hand van of de inductieve of de deductieve opdracht 4. in een later stadium (3de Bachelor) bezoeken de studenten een onderzoekslabo waar ze (onder begeleiding) metingen uitvoeren met een echte elektronenmicroscoop. Tijdens het practicum schrijven de studenten een rapport over hun activiteiten. De handelingen van de studenten tijdens het practicum worden getypeerd in observatieverslagen door onderzoekers en er worden een aantal video-opnames gemaakt. Daarbij wordt typisch het scherm gefilmd (zodanig dat nadien kan getraceerd worden waarover de studenten overlegden en welke resultaten zij op dat ogenblik voor zich hadden) en worden de conversaties van de studenten geregistreerd. Nadien wordt een transcript  Screenshot of STM.exe simulatieprogrammaORD 2005                                 divisie 9   ICT en onderwijs  uitgeschreven van het  videomateriaal en wordt dit samen met het meetrapport van de studenten onderworpen aan een kwantitatieve (Niedderer et al., 1998) en kwalitatieve analyse (Van Zele, 2003).  De kwantitatieve analyse toont aan dat niet zozeer de tijdsduur - die groepen met onderscheiden benaderingen (inductief of deductief) tijdens het practicum aan de diverse opdrachten besteden - significant verschilt, maar dat vooral de aard van de specifieke activiteiten die studenten uitvoeren sterk uiteenloopt voor de beide benaderingen. Werken volgens de inductieve benadering vereist het volgen van de instructie en het observeren en bespreken van de resultaten. Deze aanpak vereist weinig of geen creativiteit en slechts een gering aantal veronderstellingen van de studenten. De deductieve aanpak dwingt de studenten te starten van de observaties die hen worden gegeven en verplicht hen redenen en een mogelijke verklaring te zoeken voor de geobserveerde resultaten.  De categorie - gebaseerde analyse (CBAV), voorgesteld in Working Paper 9 (Psillos & Niedderer2002), suggereert de specifieke activiteiten van de studenten te coderen en toont de sterke verschillen tussen de beide benaderingen. Hoofdzakelijk de tijd gespendeerd aan strategische planning, onderlinge discussie of overleg en modellering verschillen sterk in beide benaderingen. Op basis van deze analyse wordt de eenvoud van een inductieve aanpak afgewogen tegen de leerwinst van de deductieve benadering. Door middel van een kwalitatieve analyse worden diverse aspecten van het leren onderzocht waaronder de attitudes van de student ten aanzien van een wetenschappelijke onderzoeksmethode, de invloed van sociale interacties in de groep op het leren, de begripsvorming (cognitief leren) door de student van het bestudeerde onderwerp en de wijze waarop studenten omgaan met het leren in een sterk multimediaal ondersteunde omgeving. De kwalitatieve analyse toont aan dat studenten zich vaak (nog) niet als kritische onderzoekers gedragen bij het uitvoeren van fysica practica, dat complexe sociale interacties het leertraject substantieel kunnen bemoeilijken terwijl een goede verstandhouding zeer constructief is voor het inzichtelijk leren van de groepsleden, dat de deductieve aanpak de studenten effectiever ondersteunt bij het opbouwen van een mentaal model voor het bestudeerde fenomeen en dat alle studenten een herkenbaar patroon volgen bij het exploreren van nieuwe multimediale leermiddelen. Studenten gaan schijnbaar allemaal door een fase van 'gissen en missen', waarbij ze de bijgeleverde instructies in eerste instantie negeren, alvorens ze (vastlopend in hun chaotische observaties) overwegen een meer systematische aanpak uit te proberen.  Referenties:    - Niedderer, H., v. Aufschnaiter, S., Tiberghien, A., Buty, C., Haller, K., Hucke, L., et al. (2002). Talking Physics in Labwork Contexts - A Category Based Anbalysis of Videotapes. In D. Psillos & H. Niedderer (Eds.), Teaching and Learning in the Science Laboratory (pp. 31-40). London : Kluwer Academic Publishers. - Rebello, N.S., Sushenko, K., Zollman, D.A. (1997). Learning the physics of a scanning tunnelling microscope using a computer program.  European Journal of Physics, 18, 456-461. - Van Zele, E. (2003). The Impact of Technology - enhanced Teaching and Learning of Quantum Physics. Doctoral Dissertation, Ghent University. - Van Zele, E., Lenaerts, J., Wieme, W. (2004). Improving the usefulness of concept maps as a research tool for science education. International Journal of Science Education, 26(9), 1043-1064. - Zollman, D.A. (1998). Hands-on Quantum Mechanics. Proceedings of the International Conference : Hands-on Experiments in Physics Education ICPE/GIREP. Duisburg, Germany: Born, G., H. Harreis, H. Litschke, N. Treitz.  Categorie Tijd (minuten) en (%) inductief deductiefOnafhankelijke variabelen min % min % Interactie 69 36 45 22 Bronnen raadplegen 18 9 16 8 Rapportering 28 15 32 15 Planning 10 5 22 11 Afhankelijke variabelen     Strategie 27 14 37 18 Hypothesen opbouwen 11 6 31 15 Discussie of overleg 109 57 91 44 Berekeningen 5 3 6 3 Modellering 12 6 32 15 Totale tijd v.h. practicum 191 100 207 100Tijdsbestek inductieve en deductieve aanpak 

https://biblio.ugent.be/publication/312509/file/451998

Leren met simulatieprogramma's: kwantum tunneling modelleren in het practicum natuurkunde

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Archivsystem Ask23

Ghent University Academic Bibliography