Martin Hopf

Modelling and Assessing Experimental Competencies in Physics

Experimental work is regarded as an essential part of physics education. Standards and curricula demand the development of students’ experimental competencies. There is a need for models describing experimental competencies and for valid methods of assessment based on these models. Research-based development and evaluation of interventions that foster experimental competencies have to follow. This chapter contains an example for non-standard labwork and its effect on students’ competencies and attitudes. The following parts focus on the modelling and assessment of experimental competencies. Different approaches are presented and discussed with regard to their validity. Implications for further research and development in this field are derived.

Simulated Interactive Research Experiments as Educational Tools for Advanced Science

Experimental research has become complex and thus a challenge to science education. Only very few students can typically be trained on advanced scientific equipment. It is therefore important to find new tools that allow all students to acquire laboratory skills individually and independent of where they are located. In a design-based research process we have investigated the feasibility of using a virtual laboratory as a photo-realistic and scientifically valid representation of advanced scientific infrastructure to teach modern experimental science, here, molecular quantum optics. We found a concept based on three educational principles that allows undergraduate students to become acquainted with procedures and concepts of a modern research field. We find a significant increase in student understanding using our Simulated Interactive Research Experiment (SiReX), by evaluating the learning outcomes with semi-structured interviews in a pre/post design. This suggests that this concept of an educational tool can be generalized to disseminate findings in other fields.

Student Difficulties with Graphs in Different Contexts

This study investigates university students’ strategies and difficulties with graph interpretation in three different domains: mathematics, physics (kinematics), and contexts other than physics. Eight sets of parallel mathematics, physics, and other context questions were developed and administered to 385 first year students at Faculty of Science, University of Zagreb. In addition, the questions were administered to 417 first year students at the University of Vienna. Besides giving answers to the questions in the test, students were also required to provide explanations and procedures that accompanied their answers so that additional insight in the strategies that were used in different domains could be obtained. Rasch analysis of data was conducted and linear measures for item difficulties were produced. The analysis of item difficulties obtained through Rasch modeling pointed to higher difficulty of items which involved context (either physics or other context) compared to direct mathematical problems on graph. In addition, student explanations were analyzed and categorized. Student strategies of graph interpretation were found to be largely domain specific. In physics, the dominant strategy seems to be the use of formulas, especially among students at the University of Zagreb. This strategy seems to block the use of other, more productive strategies, which students possess and use in other domains. Students are generally better at interpreting graph slope than area under the graph which is difficult for students and needs more attention in physics and mathematics teaching.

Discovering Children’s Science Associations Utilizing Drawings

Some concepts in science and especially physics, in particular, seem to be hard to fully comprehend. A lot of research has been done to find out effective ways to support students when they are being confronted with certain subject matters. A major impact factor that influences how difficult (or easy) a specific concept appears to students is how well the students’ own conceptions match the scientific ideas. In a lot of cases, the students’ ideas are far-removed from the scientific concepts that the teachers want to impart.

Schülervorstellungen zur geometrischen Optik

In diesem Kapitel werden die Schulervorstellungen zur geometrischen Optik erlautert. Es umfasst Vorstellungen zu Licht und dessen Eigenschaften, Vorstellungen zum Sehvorgang bzw. zur Wechselwirkung von Licht mit Materie. Auserdem werden Vorstellungen zu Abbildungsvorgangen und zu Farben erlautert. Ubungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.

Schülervorstellungen zu Feldern und Wellen

In diesem Kapitel werden die Schulervorstellungen zu Feldern und Wellen vorgestellt. Diskutiert werden Vorstellungen und Schwierigkeiten zu Feldern generell, auch z.B. zu Feldlinienbildern. Vorstellungen zu elektrischen bzw. zu magnetischen Feldern im Speziellen werden im Anschluss erlautert. Der zweite Teil des Kapitels widmet sich Vorstellungen zu Wellen. Dabei gehen wir neben allgemeinen Vorstellungen auch auf Vorstellungen zu Beugung und zu Interferenz ein. Ubungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.

Schülervorstellungen zum elektrischen Stromkreis

In diesem Kapitel werden Schulervorstellungen zu elektrischen Gleichstromkreisen dargelegt, die aus einer Spannungsquelle, Kabeln und Widerstandsbauelementen bestehen. Es wird bei Schulervorstellungen in der Primarstufe begonnen und dann werden Vorstellungen zur elektrischen Spannung, zum elektrischen Strom sowie grundsatzliche Denkmuster zu Stromkreisen beschrieben. Ubungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.

Schülervorstellungen zu fortgeschrittenen Themen der Schulphysik

In diesem Kapitel geht es um ein breites Spektrum an Themen der moderneren Physik. Dazu zahlen Vorstellungen zu speziellen Themen der Atomphysik, wie z. B. Linienspektren oder elektronische Ubergange im Atom. Es werden Vorstellungen zu Zufall und Wahrscheinlichkeit sowie zur Radioaktivitat erlautert. Dazu kommen Vorstellungen zu elektromagnetischer Strahlung wie Infrarot oder Ultraviolett. Ebenso werden Vorstellungen zur Astrophysik und zur Relativitatstheorie vorgestellt. Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen und Testinstrumente runden das Kapitel ab.

Schülervorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften

In Kapitel 13 geht es um Schulervorstellungen zur Natur der Naturwissenschaft (nature of science). Es werden die Quellen solcher Vorstellungen erlautert. Danach wird erlautert, wie sich Schulerinnen und Schuler die Person des Naturwissenschaftlers vorstellen und wie sie den epistemologischen Status naturwissenschaftlichen Wissens einschatzen. Danach werden Vorstellungen zum Experimentieren sowie zur Wissensproduktion in der Naturwissenschaft erlautert. Ubungen sowie Hinweise auf Unterrichtskonzeptionen, Testinstrumente und vertiefende Literatur runden das Kapitel ab.

Conceptual Change – Entwicklung physikalischer Vorstellungen

Im zweiten Grundlagenkapitel wird ein kurzer Uberblick uber theoretische Grundlagen zum Lernen in der Physik gegeben. Zunachst wird die konstruktivistische Auffassung diskutiert. Darunter versteht man, dass jeder Mensch den Sinn dessen, was gelernt werden soll, selbst konstruieren muss. Danach widmet sich das Kapitel dem Conceptual Change. Damit werden Prozesse beschrieben, bei denen bestehende Wissenssysteme umstrukturiert werden. Im Kapitel werden verschiedene Ansatze zur Beschreibung des Conceptual Change vorgestellt, u.a. der Ansatz, nach dem Schulerinnen und Schuler komplexe Modelle selbst synthetisieren, und der Ansatz eines fragmentierten, d. h. wenig konsistenten Wissens aufseiten der Lernenden. Ebenso wird der Einfluss von Metakognition auf den Conceptual Change erlautert.