Entwicklung und Einsatz von neuartigen Methoden zur Erfassung und Analyse experimenteller Prozesse

Büsch, Leonard; Heinke, Heidrun (Thesis advisor); Riese, Josef (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Der in Bildungsstandards und Kernlehrplänen ausgewiesene Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung ist wesentlich geprägt vom Experimentieren als wichtiger Methode naturwissenschaftlichen Arbeitens. Experimente und der Umgang mit ihnen gelten als zentrale Aspekte der Physik. Daher ist es aus fachdidaktischer Sicht nur konsequent, die Prozesse im Bereich des Experimentierens und deren Entwicklung in den Fokus fachdidaktischer Forschungsarbeiten zu stellen. Eine detaillierte Bewertung des Umgangs mit physikalischen Experimenten durch Lernende gestaltet sich allerdings sehr schwierig, weil die Instrumente zur Beobachtung aktuell entweder keine Realexperimente zulassen oder enorm aufwändig in der Auswertung sind und daher nur geringe Probandenzahlen erlauben. Um die Diskrepanz zwischen den fehlenden Beobachtungs- und Analyseinstrumenten und der Ambition, experimentelle Fähigkeiten zu bewerten, abzubauen, wurden zwei neuartige Methoden zur Erfassung experimenteller Prozesse am Beispiel eines Experiments zur Radioaktivität (Bestätigung des Abstands- und des Absorptionsgesetzes) im Physikpraktikum der RWTH Aachen eingesetzt. Hiermit konnten im Wintersemester 2016/17 typische Abläufe der Durchführung und Auswertung des Experiments von über 300 Studierenden dokumentiert werden. Die in dieser Arbeit verwendeten Erfassungsmethoden beinhalten einerseits die Protokollierung der Versuche mit Smartpens, die eine zeitökonomische Identifizierung und Erfassung prozessrelevanter Abläufe und Situationen erlaubt. Andererseits wurde ein objektfokussiertes Messinstrument basierend auf dem Mikrocontroller Arduino und geeigneten Sensoren entwickelt, welches die prozeduralen Objektdaten im Experiment sammelt, die eine Rekonstruktion der experimentellen Abläufe ermöglichen. Der neue Erhebungsansatz der objektfokussierten Erfassung experimenteller Prozesse sowie die noch junge Technologie des Smartpens ermöglichen es, den bisherigen Erhebungsproblematiken entgegenzutreten und neue Instrumente zu entwickeln, die die Möglichkeit bieten, die bisherige diagnostische Lücke zu schließen. Die vorliegende Arbeit beinhaltet detaillierte Beschreibungen der eingesetzten Messinstrumente, die sich auch auf neue Experimentierszenarien adaptieren und weiterentwickeln lassen. Die Kombination der beiden Messinstrumente ergab einen tiefen Einblick in die Vorgehensweisen einzelner Probandenteams beim Experimentieren. Gleichzeitig erlauben die Methoden den Einsatz sehr zeiteffizienter Auswerteroutinen, sodass auch größere Probandenzahlen untersucht werden konnten. Dies eröffnete einen Zugang zu einem breiten Spektrum experimenteller Vorgehensweisen, die miteinander verglichen werden konnten. Hierdurch wurde eine Grundlage geschaffen, um die Qualität der Vorgehensweisen zu bewerten. Die erfolgreiche Erprobung der eingesetzten Erhebungsinstrumente erlaubte die Identifikation verschiedener prozessrelevanter Merkmale und Merkmalsausprägungen. So konnten in dieser Arbeit einige wesentliche Charakteristika beschrieben werden: Es war zu beobachten, dass die Variablenkontrollstrategie überwiegend über alle Teilversuche eingehalten wurde und, dass viele Probandenteams zu Beginn einer neuen Messaufgabe zunächst Testmessungen durchführten. Es konnte auch festgestellt werden, dass tendenziell größere Messzeitintervalle bei größeren Abständen und Absorberdicken eingestellt wurden, was im Rahmen der Verlässlichkeit der Messdaten als sinnvoll erachtet wird. Die erhobenen Daten lassen zudem Aussagen darüber zu, inwiefern die unabhängige Variable in systematischer Weise variiert wurde. Anhand von Sankey-Diagrammen ließen sich Entwicklungen der Vorgehensweisen anhand der vorgestellten Merkmale über den gesamten Versuchsverlauf erkennen und beschreiben. Um gezielt Unterschiede in der Durchführung aufzuzeigen, erfolgte im Rahmen dieser Arbeit auch eine Interventionsstudie, indem die Studierendenteams mit verschiedenen Experimentierinstruktionen ausgestattet wurden. Anhand der Auswertemethoden und der Ergebnisse sollen die Leserinnen und Leser einen Eindruck darüber gewinnen, welchen Mehrwert die vorgestellten Erfassungsmethoden bieten.

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