Konzeption und Evaluation eines Kinematik/Dynamik-Lehrgangs zur Veränderung von Schülervorstellungen mit Hilfe dynamisch ikonischer Repräsentationen und graphischer Modellbildung

Conception and evaluation of a kinematics/dynamics course to change students' conceptions with the aid of dynamic-iconic representations and graphic modelling

  • Auch nach dem herkömmlichen Mechanikunterricht in der Oberstufe verfügen viele Schüler nicht über angemessene physikalische Vorstellungen über die verwendeten physikalischen Begriffe und deren Zusammenhänge. Einführend wurden in dieser Arbeit allgemeine Aspekte zu Schülervorstellungen (Kapitel 2.1) sowie konkrete Schülervorstellungen zur Mechanik (Kapitel 2.2) und relevante Lehrervorstellungen (Kapitel 2.3) dargelegt. Ein Ziel dieser Arbeit war, ein Gesamtkonzept für einen veränderten Kinematik- und Dynamikunterricht ein- und zweidimensionaler Auch nach dem herkömmlichen Mechanikunterricht in der Oberstufe verfügen viele Schüler nicht über angemessene physikalische Vorstellungen über die verwendeten physikalischen Begriffe und deren Zusammenhänge. Einführend wurden in dieser Arbeit allgemeine Aspekte zu Schülervorstellungen (Kapitel 2.1) sowie konkrete Schülervorstellungen zur Mechanik (Kapitel 2.2) und relevante Lehrervorstellungen (Kapitel 2.3) dargelegt. Ein Ziel dieser Arbeit war, ein Gesamtkonzept für einen veränderten Kinematik- und Dynamikunterricht ein- und zweidimensionaler Bewegungen in der Jahrgangsstufe 11 des Gymnasiums zu entwickeln, das möglichst vielen Schülern hilft, möglichst viele Fehlvorstellungen zur Mechanik aufzuarbeiten. Dazu wurden u.a. computergestützte Experimente und die Visualisierung der physikalischen Größen mit dynamisch ikonischen Repräsentationen (siehe Kapitel 3.2) eingesetzt, was neue Elementarisierungen und neue Unterrichtsstrategien ermöglichte (siehe Kapitel 8.2 oder Kapitel 5). Um gute Chancen zu haben, dass dieses Konzept den Schulalltag erreicht, wurde es lehrplankonform zum bayerischen Lehrplan konzipiert. Eine erste Zielsetzung der summativen Evaluation war festzustellen, inwieweit das gesamte Unterrichtskonzept von verschiedenen Lehrern durchführbar ist und wie diese es einschätzen (siehe Kapitel 8.4 oder Kapitel 6.3). Ein wichtiges Ziel war dann, mit Hilfe von Tests festzustellen, inwieweit es Veränderungen in den Schülervorstellungen gab (Vor-/Nachtest-Design) und diese Veränderungen mit konventionell unterrichteten Klassen zu vergleichen (Trainings-/Kontrollgruppen-Design) (konventionelle Klassen: Kapitel 8.1; Vergleich: Kapitel 8.5; Kapitel 6.4 + 6.5). Dazu wurden hauptsächlich bereits vorliegende paper-pencil-Tests verwendet, da eine Testneuentwicklung im Rahmen der Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Da diese Tests verschiedene Schwächen haben, wurden mehrere verschiedene Tests gleichzeitig eingesetzt, die sich gegenseitig ergänzen. Die graphische Modellbildung in Verbindung mit Animationen ist ein fakultativer Teil dieses Unterrichtskonzeptes. Hierzu wurde zusätzlich eine eigene Interventionsstudie durchgeführt (siehe Kapitel 8.3 und Kapitel 4). Ergebnisse: Dynamisch ikonische Repräsentationen können dem Lehrer neue unterrichtliche Möglichkeiten geben und somit dem Schüler helfen, physikalische Konzepte angemessener zu verstehen. Die Einführung kinematischer Größen anhand zweidimensionaler Bewegungen, die nur mit ikonischen Repräsentationen in Form von Vektorpfeilen sinnvoll ist (geeignete Elementarisierung), führt zu einem physikalischeren Verständnis des Beschleunigungsbegriffes und vermeidet Fehlvorstellungen durch eine ungeeignete Reduktion auf den Spezialfall eindimensionaler Bewegungen. Mehr Schüler konzeptualisieren Beschleunigung wie in der Physik als gerichtete Größe anstelle einer Größe, die die Änderung des Geschwindigkeitsbetrages angibt und allenfalls tangentiale Richtung haben kann. Auch in der Dynamik sind dadurch hilfreiche Darstellungen und so sinnvolle Veränderungen des Unterrichts möglich. Um wesentliche Strukturen aufzuzeigen, werden komplexere Versuche mit mehreren Kräften und Reibung eingesetzt, was erst durch eine rechnerunterstützte Aufbereitung mit dynamisch ikonischen Repräsentationen ermöglicht wird. Diese Darstellungen ermöglichen auch eine aktive Auseinandersetzung der Schüler mit den Themen, indem von ihnen häufig Vorhersagen gefordert werden (geeignete Unterrichtsstrategie). Graphische Modellbildung als weiterer Einsatz bildlicher Darstellungen kann ebenso eine weitere Verständnishilfe sein. Schüler, die nach dem vorgelegten Unterrichtskonzept unterrichtet wurden, zeigten mehr Verständnis für den newtonschen Kraftbegriff. Da die entwickelten Ideen tatsächlich im Unterricht ankamen und dort Veränderungen bewirkten, kann von einer effektiven Lehrerfortbildung mit Transferwirkung gesprochen werden.show moreshow less
  • Even after the traditional mechanics instruction in the senior classes, many students do not have any adequate physical conceptions of the physical terms and definitions used, as well as of their coherencies. This study therefore commences with a presentation of general aspects of students’ conceptions (chapter 2.1) as well as precise students' conceptions on mechanics (chapter 2.2) and relevant teachers’ conceptions (chapter 2.3). An objective of this study was to develop an overall concept for modified kinematics and dynamics instruction of mEven after the traditional mechanics instruction in the senior classes, many students do not have any adequate physical conceptions of the physical terms and definitions used, as well as of their coherencies. This study therefore commences with a presentation of general aspects of students’ conceptions (chapter 2.1) as well as precise students' conceptions on mechanics (chapter 2.2) and relevant teachers’ conceptions (chapter 2.3). An objective of this study was to develop an overall concept for modified kinematics and dynamics instruction of motions in one and two dimensions in grade 11 of grammar school, aiming at helping as many students as possible to clear as many misconceptions on mechanics as possible. In order to achieve this goal, computer-aided experiments and the visualisation of physical quantities with dynamic-iconic representations (see chapter 3.2) were used, among other things, thus enabling new elementarizations as well as new teaching strategies (see chapter 9.2 or chapter 5). In order to have good chances that this concept reaches the school everyday life, it was conceived curriculum-conformal to the Bavarian curriculum. The first goal of the summative evaluation was to determine to what extent the entire teaching concept can be implemented by different teachers, and how they assess said concept (see chapter 9.4 or chapter 6.3). Subsequently, an important objective was to ascertain, by means of tests, to which extent the students’ conceptions had changed (pre-/post-testing design), and to compare these changes with conventionally taught classes (treatment-/control-group design) (conventional classes: chapter 9.1; comparison: chapter 9.5; chapters 6.4 + 6.5). For that purpose, already existing paper-pencil-tests were mainly used, as a new development of tests would not have been possible in the course of the study. These tests have various shortcomings, so several tests were used at the same time, complementing each other. Graphic modelling in combination with animations is part of this teaching concept. Additionally, an own intervention study was carried out in this context (see chapter 9.3 and chapter 4). Results: Dynamic-iconic representations can provide teachers with new teaching possibilities and thus help students to adequately understand physical concepts. An introduction of kinematic quantities with the aid of two-dimensional motions, which makes only sense with iconic representations in the form of vector arrows (suitable elementarization), leads to a more physical understanding of the acceleration concept and avoids misconceptions due to an inept reduction to the special case of motions in one dimension. More students conceptualize acceleration – like in physics – as a directed quantity instead of a quantity indicating the change of the magnitude of velocity and having at best tangential direction. This renders possible helpful representations for and thus reasonable changes of dynamics instruction as well: In order to illustrate essential structures, more complex experiments with several forces and friction are used, which is only feasible because of a computer-aided preparation with dynamic-iconic representations. These representations also allow for the students to actively deal with the subject by often asking them to make predictions (suitable teaching strategy). Graphic modelling as another application of iconic representations can also further understanding. Students who were instructed pursuant to the teaching concept on hand showed a greater understanding of Newton's concept of force. As the developed ideas were in fact well received in class and caused changes there, it can be called an effective further teacher training with a transfer effect.show moreshow less

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Metadaten
Author: Thomas Wilhelm
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-39554
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Physik und Astronomie
Faculties:Fakultät für Physik und Astronomie / Physikalisches Institut
Date of final exam:2005/10/24
Language:German
Year of Completion:2005
Source:Konzeption und Evaluation eines Kinematik/Dynamik-Lehrgangs zur Veränderung von Schülervorstellungen mit Hilfe dynamisch ikonischer Repräsentationen und graphischer Modellbildung / Thomas Wilhelm. - Berlin: Logos-Verlag, 2005. (Studien zum Physik- und Chemielernen ; 46) - ISBN 978-3-8325-1046-6.
Dewey Decimal Classification:3 Sozialwissenschaften / 37 Bildung und Erziehung / 370 Bildung und Erziehung
GND Keyword:Modellierung; Physikunterricht
Tag:Dynamik; Kinematik; Modellbildung; Physikdidaktik; Schülervorstellungen
dynamics; kinematics; modelling; physics education; students' conceptions
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL / 01.00.00 Communication, education, history, and philosophy / 01.40.-d Education / 01.40.Di Course design and evaluation
Release Date:2009/11/10
Note:
Das Buch mit CD-ROM kann unter der ISBN 978-3-8325-1046-6 auch online oder über den Buchhandel beim Logos-Verlag Berlin bestellt werden. Siehe auch http://www.logos-verlag.de/cgi-bin/buch?isbn=1046
Advisor:Prof. Dr. Dieter Heuer

$Rev: 13581 $