Institut für Physik und Technische Bildung
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Die Masterarbeit soll einen Beitrag zur (Weiter-) Entwicklung der Selbstwirksamkeit im Umfeld alter(n)srelevanter Technologien und deren Technikwirksamkeit leisten. Auftretende Rahmenbedingungen, Barriere- und Erfolgsfaktoren müssen bedacht werden, wenn es darum geht, im Modell ein nachhaltiges Gedeihen zu visualisieren, das zudem geragogische Leitprinzipien bei der Schaffung von Bildungsangeboten berücksichtigt. Ziel im Bereich der Digitalisierung und sozialen Verantwortung im demographischen Wandel ist, dass die Chance besteht, durch das Erleben einer Technikwirksamkeit möglicherweise zur Steigerung von Selbstwirksamkeit zu gelangen, weil die Selbstlernkompetenz bewusstgemacht respektive verbessert wird.
For more than 30 years, school-specific digital measurement systems have been available for science classrooms. These systems allow automated data acquisition, which enables longer measurement durations, shorter measurement intervals, and the acquisition of several measurands in parallel. The resulting increase in the amount of data is attributed to a certain potential for science classrooms. However, recent research has shown that digital measurement systems are rarely used in the classroom. In addition, there is little research on the conditions for using digital measurement systems in science classrooms and the added value of larger amounts of data for students in terms of learning from and about science.
The present work aims to close these gaps by 1) illustrating the pedagogical potential of digital measurement systems and the associated larger amount of data, 2) describing teachers competencies in using digital measurement systems and presenting a corresponding self-efficacy scale, 3) investigating the influence of the amount of data analyzed on learners cognitive load and conclusions, and 4) exploring the extent to which learners use the potential in their arguments.
It was shown exemplarily that new phenomena can be observed in science classrooms by using digital measurement systems and the associated collection and evaluation of large amounts of data (goal 1). Furthermore, 15 competencies relevant to teachers in dealing with digital measurement systems were empirically identified, and a self-efficacy assessment tool was developed on this basis (goal 2). On the learner side, an increase in the amount of correct conclusions was identified when evaluating the largest of the three datasets provided (goal 3). The amount of data showed no effect on cognitive load (goal 3), and no meaningful differences in the quality of the data-based arguments could be detected (goal 4). The latter suggests that learners do not fully utilize the potential of larger datasets in their arguments.
The results underline the relevance of large amounts of data for science classrooms. Therefore, teachers should make greater use of digital measurement systems in science classrooms. The identified competencies and the self-efficacy scale can be used to develop and evaluate targeted offerings to promote relevant competencies in the use of digital measurement systems by (preservice) science teachers. In addition, future research should investigate the extent to which learners are aware of the potential of larger amounts of data and how they can be supported in their arguments to exploit this potential.
Vorstellungen zu(r) Technik
(2023)
Erfahrungen und Vorstellungen zu(r) Technik werden von Laien zumeist vor dem Hintergrund damit einhergehender Bilder und Begriffe reflektiert. Diese erscheinen im Hinblick auf Lehrpersonen der Primarstufe, welche sich vielfach als Generalist:innen verstehen insofern von Bedeutung, da sie im Kontext technikbezogenen Unterrichts als zunehmend implizit und gleichzeitig handlungsleitende Wissensbestände betrachtet werden können.
Die vorliegende Arbeit widmet sich diesem Aspekt und nimmt dabei eine praxeologisch wissenssoziologische Perspektive ein. Kern der damit verbundenen qualitativ-empirischen Studie bilden narrativ fundierte Interviews (n=8) mit Lehrpersonen an österreichischen Grundschulen.
In einer sich daran anschließenden differenzierten dokumentarischen Interpretation konnten wesentliche Orientierungen, mit Blick auf die Biografie, Berufsbiografie und Sozialisation, rekonstruiert werden.
In einer Generalisierung der Ergebnisse, die neben der Falldarstellung und Kontrastierung, insbesondere eine Typenbildung berücksichtigte konnte gezeigt werden, dass Technik insbesondere als ein Spannungsverhältnis von ‚technikzugewandt und technikabgewandt‘ wahrgenommen wird.
Hieraus ergeben sich sowohl für die konkrete Unterrichtspraxis als auch im Hinblick auf eine zukünftige Lehrer:innenbildung weitreichende Impulse.
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.
Die vorliegende Studie wendet sich dem Themenkomplex „Bildung zur Verantwortung im Studium der Elektrotechnik im Kontext des gesellschaftlichen Diskurses zu den ökologi-schen Folgen von Technik“ zu. Ausschlaggebend für das Untersuchungsinteresse sind die massiven ökologischen Probleme, vor denen die Weltbevölkerung steht und zu deren Lö-sung Ingenieurinnen und Ingenieure durch die Entwicklung neuer Technologien beitragen sollen. Gleichzeitig zeigt die Erfahrung, dass mit technischem Fortschritt immer wieder neue Probleme verbunden sind. Aus diesem Grund hat sich in den letzten fünfzig Jahren die Technikfolgenabschätzung etabliert. Doch genügt es nach Ansicht bedeutender Tech-nikphilosophen wie beispielsweise Ropohl nicht, Überlegungen zur Verantwortung für Technikfolgen allein diesen Instituten zu überlassen.
Folgt man dem Wissenschaftstheoretiker Fleck, wird der Denkstil einer Wissenschaft im Studium weitergegeben. Es stellt sich deshalb die Frage, ob und wie Studierende der In-genieurwissenschaften, insbesondere der Elektrotechnik, darauf vorbereitet werden, in ihrem Beruf Verantwortung für Technik zu übernehmen. Eine Verantwortung, die über die Funktionsfähigkeit von Technik hinausgeht und unter der auch zukünftige Folgen von Technik berücksichtigt werden. Ein Blick in die Pädagogik, wie er hier gemacht wird, zeigt, dass der Mensch einer Bildung zur Verantwortung bedarf. Dies vor allem auch im Hinblick auf die Gesellschaft und die Welt. Doch muss sich der Mensch auch aufgefordert fühlen, für etwas verantwortlich zu sein. Es ist deshalb von Interesse, wie sich das Thema Ver-antwortung für die ökologischen Folgen von Technik in der alltagsweltlichen Kommunikati-on der Gesellschaft zeigt und wem die Verantwortung zugesprochen wird. Der Untersu-chung geht die Annahme voran, dass sich im Falle eines Anschlusses an den gesellschaft-lichen Diskurs Änderungen in den Curricula der ingenieurwissenschaftlichen Studiengänge zeigen könnten.
Die vorliegende Längsschnittstudie beobachtet über den Zeitraum von 1970 bis 2020 an-hand des Fallbeispiels der Elektrotechnik an der Hochschule Karlsruhe, ob sich während des Untersuchungszeitraums dort Fächer finden lassen, die der Bildung zur Verantwor-tung für Technikfolgen dienlich sind. Diese Beobachtung findet parallel zur Beobachtung der Kommunikation der Gesellschaft in den Massenmedien statt.
Die Analyse der Beobachtungen findet unter einem systemtheoretischen Verständnis statt. Es zeigt sich, dass von einer vorangestellten Hypothese abgegangen werden muss, dass allein das Paradigma der Ingenieurwissenschaft Elektrotechnik die Inhalte des Studi-ums bestimmt. Das Verständnis eines Ingenieurstudiums als Berufsausbildung stellt wirt-schaftliche Ansprüche in den Vordergrund. Weiterhin zeigt es sich, dass Besonderheiten in den Organisationssystemen der Hochschule ein Hindernis für eine grundlegende Re-form eines ingenieurwissenschaftlichen Studiums wie beispielsweise der Elektrotechnik darstellen. Diese Hindernisse wurden in den abschließenden Handlungsempfehlungen be-achtet. Dort werden kleine Interventionsmaßnahmen vorgeschlagen, denen auch ohne weitreichende Reformen gefolgt werden kann.
Auseinandersetzung mit allgemeiner Bildung und technischer Bildung; Frage in wieweit technische Bildung Teil der allgemeinen Bildung ist.
Auseinandersetzung mit Museen im allgemeinen und der Museumspädagogik.
Gegenüberstellung der KlimaArena Sinsheim und dem Technoseum Mannheim, jeweils mit Unterrichtsbezug.
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.
Technik vom Anfang denken
(2021)
FWM – Ein Test zur Erhebung von Wissen in Mechanik für Schülerinnen und Schüler der Mittelstufe
(2021)
In Forschungsprojekten wird wiederholt Wissen in Mechanik – z. B. als Kontrollvariable – von Schülerinnen und Schülern der Mittelstufe erhoben. Dazu werden oft projektspezifische Tests entwickelt, die nicht in der Fachliteratur dokumentiert sind. Deshalb stellen wir einen Test zur ökonomischen Erhebung von Wissen aus Teilgebieten der Mechanik in der Mittelstufe vor, den FWM. Der aus 22 Items im Multiple-Choice Single-Select-Format bestehende Test kann in rund 20-25 Minuten bearbeitet werden. Wir stellen den Test sowie die Ergebnisse einer empirischen Erhebung mit 1532 Berliner Schülerinnen und Schülern aus der 8. und 9. Jahrgangsstufe vor. Die Ergebnisse zeigen, dass der Test in der Lage ist, Teilbereiche des heterogenen Konstrukts Wissen in Mechanik mit einer zufriedenstellenden Reliabilität zu erfassen. Eine Rasch-Analyse deutet zudem auf die Homogenität der Items hin. Mit diesem Beitrag möchten wir eine Skalendokumentation vorlegen und ein erprobtes Verfahren zur Erfassung von Wissen in Mechanik für zukünftige Forschungsvorhaben bieten.
Offenheit der Aufgabenstellung und Strukturiertheit des Unterrichtes im Technischen Gestalten
(2021)
Am Anfang dieser fachdidaktischen Dissertation steht die Frage nach qualitätsvollem Unterricht im Technischen Gestalten. Eine quantitative Studie untersucht die Effektivität von Unterrichtstypen, die sich bezüglich der Dimensionen Offenheitsgrad der Aufgabenstellung und Strukturiertheit des Unterrichts unterscheiden. Die Erhebungen, welche die Basis für die quantitative Studie bildet, erfolgte im Juni 2018 mit über tausend Lernenden in 116 Klassen (4. bis 9. Klassenstufe) und ihren Lehrpersonen in den Schweizer Kantonen Bern, Solothurn und Basel-Stadt.
Die Auswertung, die mit einer Latent Profile Analysis (LPA) erfolgte, machte drei Unterrichtstypen mit je einem spezifischen Profil sichtbar: Typ 1: enge Aufgabenstellung und mittelhohe Strukturiertheit des Unterrichtes; Typ 2: halboffene Aufgabenstellung und tiefe Strukturiertheit; Typ 3: offene Aufgabenstellung und hohe Strukturiertheit
Der Theorierahmen des Angebots-Nutzungs-Modells von Helmke (2009) bildet die Basis für die weiteren Auswertungsschritte. Eine multinominale logistische Regression zeigt, dass die Formen des Unterrichts von den Lehrpersonen nicht zufällig gewählt werden. Persönliche und professionelle Voraussetzungen führen zu ihrer Anwendung.
Eine Mehrebenenanalyse (MSEM, 2-1-1) macht zudem Zusammenhänge zwischen den Unterrichtstypen und den schulischen Einflussgrössen auf der Schülerinnen- und Schülerseite sichtbar. Diese sind sowohl auf individueller Ebene als auch auf Klassenebene feststellbar. Kognitive Aktivierung, Selbstbestimmungserleben und Anstrengungsbereitschaft, die als Mediatoren dienen, werden durch die Unterrichtstypen beeinflusst. Darüber hinaus wirken die Unterrichtstypen auch auf die Outcomes. Die Zusammenhänge zeigen sich bei der Motivation im Fach, der Selbstwirksamkeitsüberzeugung, der intrinsischen Motivation und selbst bei den Noten. Die Unterrichtstypen wirken sowohl direkt als auch indirekt über die Mediatoren auf die Outcomes. Alles in allem zeigt sich, dass ein Unterricht mit offenen Aufgabenstellungen und strukturiertem Vorgehen verschiedene Grössen auf Schülerinnen- und Schülerseite positiv beeinflussen kann.
Daneben können auch Zusammenhänge zwischen familiären oder persönlichen Merkmalen der Schülerinnen und Schüler und den Mediatoren bzw. Outcomes festgestellt werden.
Welchen Unterricht eine Lehrperson im Technischen Gestalten anbietet, spielt für die Qualität der Lernprozesse also eine entscheidende Rolle.