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Ziel der Dissertation ist die Steigerung der Attraktivität von Sach- bzw. Physikunterricht. Dies soll durch individualisierte Umsetzung von Sach- bzw. Physikunterricht mithilfe des Cartesianischen Tauchers als exemplarisch ausgewählten Unterrichtsgegenstands erreicht werden.
Für den angemessenen Einsatz eines Cartesianischen Tauchers als individualisierten Freihand- bzw. Lernversuch war nicht nur die Untersuchung physikalischer Erklärungsansätze notwendig, sondern auch die Entwicklung physikdidaktischer Konzeptionen (z. B. Dichte, Auftrieb und Verdrängung, Handkraft usw.), sowie deren konkrete Umsetzung mit anschließender Einholung von individuellen Rückmeldungen zur Validierung.
Die über 370-jährige Geschichte des Cartesianischen Tauchers und seine frühe internationale Bekanntheit erforderte Untersuchungen hinsichtlich der Namensgebung und dessen vielfältige Verwendung, um möglichst umfassend das historische Experiment zu betrachten und damit vielseitige Möglichkeiten für den erfolgreichen individualisierten Einsatz im Unterricht bereitzustellen.
Die jeweilige Lehr-Lern-Situation wurde im Anschluss im Sinne der ‚Aktionsforschung‘ empirisch evaluiert. Als Befragungsinstrument diente ein ‚leeres Blatt Papier‘, das nur mit einer konkreten Aufgabenstellung jedoch ohne eine Fragestellung die unmittelbaren Eindrücke und Einschätzungen der Kinder und Jugendlichen zunächst qualitativ erheben sollte. Die individuellen Rückmeldungen wurden mithilfe der diktionärsbasierten und qualitativen Inhaltsanalyse nach Udo Kuckartz ausgewertet.
Ein Ergebnis dieser Dissertation ist, dass nicht nur die Individualisierung von Sach- bzw. Physikunterricht mit dem Cartesianischen Taucher als Unterrichtsgegenstand von den Lernenden ‚attraktiv‘ eingestuft wird. Vielmehr empfanden die Lernenden auch andere individualisiert umgesetzten Unterrichtsinhalte ‚attraktiv‘. Individualisierung kann deshalb definitiv als ein Schlüssel zu attraktivem Sach- bzw. Physikunterricht gesehen werden.
Das Auswerten von Daten und die Begründung von wissenschaftlichen Hypothesen kann als zentraler Bestandteil von "Scientific Practice" angesehen werden. Durch das naturwissenschaftliche Experiment können beide Aspekte adressiert werden: Lernende müssen Beobachtungen und Daten mit ihren Hypothesen verbinden. Dieser Prozess kann als Argumentieren aufgefasst werden und bedingt Datenkompetenz bei Lernenden.
Vor diesem Hintergrund hat die vorliegende Arbeit die Förderung von Datenkompetenz zum Ziel. Beim Experimentieren stellt der adäquate Umgang mit Daten und Messunsicherheiten einen wesentlichen Teil der Datenkompetenz dar. Zunächst wurde daher eine didaktische Strukturierung entwickelt, die die Datenkompetenz beim Experimentieren a) auf die für die Sekundarstufe I relevanten Aspekte reduziert und b) in die Kompetenzbereiche „Direktes Messen“, „Indirektes Messen“, „Grafische Auswertung“ und „Signifikanz“ modularisiert. Auf dieser Basis wurden zehn digitale Lernapps entwickelt, die durch eine Expert:innenstudie hinsichtlich der Passung zur Strukturierung und der fachlichen Richtigkeit evaluiert wurden. Die Wirksamkeit der Apps konnte in mehreren Interventionsstudien mit insgesamt n = 132 Schüler:innen mit mittleren bis großen Effekten bezüglich des Kompetenzerwerbs empirisch nachgewiesen werden.
Zudem wurde untersucht, welchen Einfluss die Förderung der Datenkompetenz auf das Argumentieren beim Experimentieren besitzt. In einer längsschnittlichen Studie wurden den Schüler:innen vor und nach der Intervention mit Lernapps Messdaten zum Zusammenhang zwischen der Pendelmasse m und der Periodendauer T eines Fadenpendels gezeigt und ihre Hypothesen sowie die Zustimmung zu vier Argumentkategorien erfasst.
In der Studie mit n = 325 Schüler:innen konnte gezeigt werden, dass der Erwerb von Datenkompetenz a) die Zustimmung zu daten- und evidenzbasierten Argumentkategorien erhöht, b) die Zustimmung zu intuitiven und auf Heuristiken basierenden Argumentkategorien verringert und c) positiv auf die Richtigkeit einer physikalischen Hypothese wirkt.
Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, die Wirkung von Datenkompetenz auf das Argumentieren beim Experimentieren zu verstehen: Durch kurze Interventionen zum Umgang mit Daten und Messunsicherheiten können die Argumentationsfähigkeit der Schüler:innen beim Experimentieren sowie der selbstständige Lernerfolg durch Experimentieren gefördert werden.
Licht wird im Rahmen der Ausbildung in der Schule und der Hochschule zunehmend nur noch in die binären Kategorien „kohärent“ und „inkohärent“ eingeteilt und entsprechend diskutiert. Zur vertiefenden Diskussion des Kohärenzbegriffs fehlt vor allem eine einfache Möglichkeit, die Kohärenz von Licht experimentell erfahrbar zu machen, die der binären Vorstellung des Begriffs entgegenwirkt und den notwendigen Abstraktionsgrad verringert. In dieser Dissertation werden, die während der Promotion entstanden Versuchsaufbauten beschrieben und die zugehörigen didaktischen Modelle erläutert. Es handelt sich bei den Versuchsaufbauten sowohl um einfach aufzubauende Grundlagenexperimente als auch um weiterführende Anwendungsexperimente zum Begriff der Kohärenz zum Einsatz in der Hochschullehre und dem Unterricht am Gymnasium.