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Unsere Forschungsinteressen

Der Schwerpunkt „Experimentieren“

zielt insbesondere auf das Erlernen naturwissenschaftlicher Sicht- und Arbeitsweisen und das Formulieren und Erheben von entsprechenden Zielen und Kompetenzen. Dazu gehören die folgenden Projekte: 

 

 

 

Ansichten über Experimente (NoS)

Schlagworte:

-Vermittlung adäquater Ansichten über Erkenntnisgewinnung („Nature of Science“)

-Erprobung und Evaluation von Instruktionen an außerschulischen Lernorten

Ansichten über das Wesen der Physik bzw. allgemeiner über die Natur der Naturwissenschaften bezeichnen individuelle subjektive Auffassungen und Theorien über die Genese, Ontologie, Bedeutung, Rechtfertigung und Gültigkeit von Wissen in Physik bzw. den Naturwissenschaften In verschiedenen eigenen Erhebungen zeigte sich, dass die Ansichten über Physik vieler Schülerinnen und Schüler aber auch Studierender laienhaft sind.

Wir konnten feststellen, dass „typische“ Schülerlaborprojekte kaum Veränderungen zugunsten eines zutreffenden Bildes der Physik bewirken. Das ist insofern wenig verwunderlich, da die Instruktion im Schülerlabor zwar projektartigen Charakter besitzt und damit vom typischen Schulunterricht abweicht, deshalb aber nicht notwendig explizit ein wissenschaftliches Vorgehen thematisiert.

Unseres Erachtens sollte die Authentizität des Standortes des Schülerlabors innerhalb einer wissenschaftlichen Forschungseinrichtung stärker einfließen und genutzt werden. Es sind Ansätze für Projekte gefordert, die die Ansichten über Physik und eine Überprüfung dieser neben dem Lernen von Fachinhalten explizit thematisieren. Am Beispiel des Experimentierens – z. B. hinsichtlich eines Vergleichs von Experimenten in Wissenschaft mit Versuchen in der Schule – wurde ein entsprechendes Konzept  entwickelt und evaluiert.  Schüler führen z. B. Versuche mit Plasmakugeln durch,  erarbeiten einen Fragenkatalog zum Erkenntnisgewinn durch Experimentieren und interviewen schließlich Fachwissenschaftler zu wissenschaftstheoretischen Fragen. Auf diese Weise soll ein Beitrag dazu geleistet werden, explizite und reflektierende Ansätze zu entwickeln und zu erproben, die ein angemessenes und differenziertes Bild über die Naturwissenschaften in Verzahnung mit Fachinhalten vermitteln.

Umgang mit Messunsicherheiten

Schlagworte:

-Festlegen eines normativen Erwartungshorizonts

-Modellierung von Kompetenzen

 

Da Messunsicherheiten unter anderem Aufschluss darüber geben, wie verlässlich gemessene Werte sind und inwiefern diese mit anderen Ergebnissen übereinstimmen, gehört die Thematisierung von Unsicherheiten im Rahmen von Messprozessen zu den Standardverfahren des physikalischen Arbeitens. Wird im Physikunterricht auf eine Auseinandersetzung mit Unsicherheiten verzichtet, führt dies nicht nur zu einem unzutreffenden Bild des Experimentierens, sondern sogar zu einer impliziten Vermittlung einer recht fragwürdigen experimentelle Vorgehensweise.

Um einen Erwartungshorizont bezüglich eines adäquaten Umgangs mit Messunsicherheiten im Physikunterricht festzulegen, wurden die grundliegenden Inhalte der entsprechenden derzeit gültigen Richtlinien und Standardliteratur (z.B. DIN 1319-3 und insbesondere der ISO-Standard „Guide to the expression of uncertainty in measurement“) erarbeitet, kategorisiert und bezüglich ihrer Relevanz für den Physikunterricht analysiert. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden Kompetenzen auf verschiedenen Niveaustufen modelliert, die bei Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe I vorliegen sollten, um Messunsicherheiten zu erkennen, zu handhaben und auf deren Grundlage Rückschlüsse auf das Messverfahren und seine Ergebnisse ziehen zu können.

Mithilfe der so gewonnen Ergebnisse können schließlich erste Ansätze für eine gezielte Thematisierung von Messunsicherheiten im Physikunterricht geliefert werden.

 

Offene experimentelle Lernumgebungen

Schlagworte:

-Dimensionierung der Offenheit von experimentellen Lernsettings

-Untersuchung der Wirksamkeit offener Lernumgebungen

 Dieser Forschungszweig zeigt die Ungenauigkeiten in der Verwendung und die Notwendigkeit einer Präzisierung des Begriffes des offenen Experimentierens im fachdidaktischen Diskurs auf. Dazu wird auf den Ursprung der Offenheit zurückgegriffen und eine Verknüpfung mit offenem Unterricht und offenen Aufgaben hergestellt. Mit Blick auf die Übertragbarkeit dieser Grundlagen auf das Experimentieren wird schließlich unter Bezug auf bereits vorliegende Arbeiten eine Dimensionierung des Begriffes des offenen Experimentierens vorgenommen. Weiterhin werden Implikationen für die (fachdidaktische) Forschung aufgezeigt.

Prozessbewertung des Experimentierens

Schlagworte:

-Vermittlung eines sinnvollen Umgangs mit Variablen

-Untersuchung des Vorgehens beim offenen Experimentieren

 Die Forschungsarbeiten möchten den Nutzen einer differenzierten Begriffsbestimmung im Hinblick auf eine zielorientierte und strukturierte Entwicklung von offenen Experimentieraufgaben für Schule und Unterricht zeigen. Vorgestellt wird eine vielfach erprobte und gut dokumentierte Experimentieraufgabe zum Thema Windenergie (Priemer & Kirchner, 2007), die Schülern bzgl. der wichtigen naturwissenschaftlichen Arbeitsweise "Umgang mit Variabeln" einen hohen Grad an Entscheidungsmöglichkeiten erlaubt. Die Studie möchte für den Umgang mit Variablen die Wirksamkeit der offenen Experimentieraufgabe aufzeigen und zwar unter der Bedingung, dass Schüler vor der Durchführung der offenen Experimentieraufgabe eine vorbereitende/ keine vorbereitende Schulung erhalten haben. Das Interesse der vergleichenden Studie liegt unter anderem bei einem Kontexttransfer, den Schüler von der vorbereitenden Schulung auf die offene Experimentieraufgabe leisten mussten. Die Ergebnisse verleiten für die Vermittlung des Variablenkonzeptes zu der forschungsbezogenen Aussage: Mehr Offenheit beim Experimentieren wagen!

Entwicklung von Experimenten für Forschung und Lehre

Schlagworte:

-Experimente zur Unterstützung der Forschungsprojekte

-Experimente mit speziellen Zielen, wie z. B. die Konzeption von Analogieversuchen

Neben den didaktischen Forschungsprojekten, in denen wir versuchen, inhaltliche Entwicklung und quantitativ-empirische Evaluation fruchtbar miteinander zu verbinden, werden auch Experimente entwickelt, die sich auf die Forschungsarbeiten beziehen. Eine von uns verfolgte tragende Grundidee ist dabei, Analogieexperimente zur Erarbeitung von (Natur-) Phänomenen für Unterricht zu entwickeln. Hierzu zählt z. B. eine Blitzanalogie mit einer Influenzmaschine, ein Nebelwindkanal zur Umströmung von Körpern oder eine akustische Standortbestimmung nach dem GPS-Prinzip.

 

Weitere Informationen:

Windkanal

GPS Experiment

 

 

 

 

 

 

Der Schwerpunkt „Strukturierung von Unterricht“

betrachtet die Modellierung und zeitliche Budgetierung von Lernprozessen. Dazu gehören die folgenden Projekte:

Basismodelle des Experimentierens

Schlagworte:

-Anwenden der Oserschen Theorie auf Unterricht mit Experimenten
-Entwicklung von Handlungskettenschritten

 Mit dem Experimentieren werden im naturwissenschaftlichen Unterricht vielfältige Ziele verfolgt und Kompetenzen von Schülerinnen und Schülern angestrebt. Zugleich zeigt die Forschung sehr eindrücklich, dass die Wirksamkeit von experimentellem Unterricht hinter den Erwartungen zurückbleibt. Unseres Erachtens liegen Ursachen dafür zum einen in zu vielfältigen Zielsetzungen und zum anderen in einer fehlenden Fokussierung auf die Funktion eines Experiments für den Lernprozess. Es fehlt bspw. ein praxistaugliches Modell für die Lehrkräfte, das die unterschiedlichen Funktionen des Experimentierens und die dazu bekannten Forschungsergebnisse in die Unterrichtspraxis überführt. 

Wir stellen einen Ansatz vor, wie dieses Problem angegangen werden kann, indem mittels eines vorhandenen Modells des Unterrichtens (Basismodelle von Oser) die direkte Anwendbarkeit fachdidaktischer Forschung auf die Unterrichtspraxis aufgezeigt wird.

60-Minuten im Physikunterricht

Schlagworte:

-Untersuchung des Lernprozessabschlusses durch Unterrichtsstundenverlängerung

 Obwohl bislang keine theoretischen Arbeiten und nur wenige empirische Untersuchungen zur optimalen zeitlichen Strukturierung von Unterricht vorliegen, verlängern einige Schulen in Deutschland z. Zt. die Schulstundenlänge auf 60 Minuten. Damit wird das Ziel verfolgt, die Unterrichtsqualität zu verbessern. Die beantragte empirische Studie möchte die unterstellte Wirksamkeit dieser Stundenverlängerung exemplarisch anhand von Physikunterricht prüfen. Dazu wird der 60-Minuten-Unterricht von vier Physiklehrkräften aufgezeichnet und ausgewertet und mit dem 45-Minuten-Unterricht der gleichen Lehrkräfte aus einer bereits abgeschlossenen Studie verglichen. Die Analyse und Bewertung erfolgt unter dem Blickwinkel der Basismodelle nach Oser. Ergänzend dazu erfolgen eine Schülerbefragung und ein Expertenrating. Die Studie möchte erste Hinweise liefern, inwiefern die zeitliche Umstellung allein schon Effekte auf die Unterrichtsqualität hat und ob nicht noch zusätzliche Maßnahmen wie Schulungen der Lehrkräfte zur gezielten Nutzung dieser Zeit notwendig sind.

 

 

 

 

weitere und abgeschlossene Projekte

 

 

ikonische Repräsentationen physikalischer Inhalte

Physikalische Inhalte können in unterschiedlichen Repräsentationsformen wie Diagrammen, Formeln, Texten oder Bildern dargestellt werden. Letztere – die auch als ikonische Repräsentationen bezeichnet werden – sind typische Mittel zur Illustration von fachlichen Sachverhalten. Verschiedene typische Darstellungen sind teilweise so „beliebt“, dass diese in vielen Lehrwerken in nahezu gleicher Weise auftauchen. Dabei stellt sich zum einen die Frage, ob Lernende mit dieser einen einzigen Repräsentation tatsächlich ein tieferes Verständnis des Inhalts erlangen und Modifikationen dieser Darstellung fachlich richtig interpretieren können. Zum anderen wird untersucht, ob Lernende Zusammenhänge zwischen verschiedenen ikonischen Repräsentationen eines Sachverhalts erkennen und deuten können.

  

 

 

 

 

 

 

Lernen mit neuen Medien (abgeschlossenes Projekt)

Das WWW bietet ein vielfältiges Informationsangebot, das vielfach keiner didaktischen Aufbereitung oder inhaltlichen Qualitätskontrolle unterliegt. Wie wenden Schüler das Internet mit welchen Lernerfolgen an, wenn sie für die Schule ein physikalisches Thema damit erarbeiten? Untersucht wurde dies z. B. anhand der Themen „Gezeiten“ und „Gewitter“. Neben Vorkenntnissen im Fach haben sich insbesondere evaluative Kompetenzen als Einfluss auf den Wissenserwerb erwiesen. Darüber hinaus können begleitende Schreibaufgaben, wenn sie Bedingungen erfüllen wie z. B. die Adressierung einer realen Leserschaft, das Verfassen von Lehrbuchtexten und die Integration multimedialer Elemente, dem Lernen mit dem Internet dienlich sein. Die Ergebnisse dieser Studien fließen in Form von Hinweisen in die Schulpraxis ein.

 

„Move’in Science“: ein EU-Projekt zum Studierendenaustausch und zur Entwicklung von fachdidaktischem Schulungsmaterial (abgeschlossenes Projekt)

Die Didaktik der Physik der Ruhr-Universität Bochum hat als ein Partner neben der Universität Palermo, der Comenius Universität Bratislava, der Andrei Saguna Universität Constanta, der Pädagogischen Universität Vilnius und der Hochschule Artevelde in Gent an dem EU-Projekt „Move’in Science (MiS)“ teilgenommen. Ziel des Projektes war es, einen Studierendenaustausch für zukünftige Lehrer zwischen den beteiligten Partnerländern durchzuführen und Materialien für die naturwissenschaftliche Lehrerausbildung zu entwickeln. Dazu wurden von den am Projekt beteiligten Arbeitsgruppen Workshops entwickelt, die Pedagogical Content Knowledge als einen Kerngedanken in die Ausbildung angehender Lehrerinnen und Lehrer integrierten. Im Rahmen eines Studierendenaustauschs hatten jeweils zehn Studierende der sechs teilnehmenden Universitäten die Möglichkeit, vier Wochen an einem der anderen Standorte zu verbringen, Schulen zu besuchen und an dem Workshop der Partner-Universität teilzunehmen. Die Workshops wurden schließlich bezüglich ihrer Wirksamkeit evaluiert und die Materialien gemeinsam mit den Ergebnissen als Handbuch online veröffentlicht.

 

http://www.mis.unipa.it/

 

Experimentieren im Kontext der Schülerlaborforschung

In außerschulischen Lernorten – wie z. B. einem Schülerlabor – arbeiten Schüler projektartig und experimentell an naturwissenschaftlichen Fragestellungen. Schülerlabore streben u. a. an, eine positive Einstellung zu Naturwissenschaften bei Schülern zu verankern und die naturwissenschaftliche Grundbildung zu verbessern. Inwiefern dies erreicht wird, ist jedoch einer Prüfung zu unterziehen. Die bisherige Schülerlaborforschung zeigt, dass es grundsätzlich gelingt, das Interesse von Schülerinnen und Schülern an naturwissenschaftlichen Fragestellungen zu wecken. Das ist u. E. ein wertvoller positiver Effekt. Es zeigt sich jedoch auch, dass dieses Interesse von eher kurzer Dauer ist. Das hohe Interesse direkt nach einem Besuch fällt in der Regel nach mehreren Wochen wieder signifikant ab. Hieraus ergibt sich ein Handlungsbedarf. Denn die hohen personellen und monetären Investitionen, die mit Schülerlaboren verbunden sind, erfordern eine Verbesserung der Wirkung. So wünschenswert ein kurzfristiges Begeistern junger Menschen an Naturwissenschaften im Rahmen eines Wandertags ist, eine Verknüpfung der Besuche mit Schule und Alltag sollte zur Stabilisierung des Interesses verwirklicht werden.