Experimentieren in der Oberstufe Anregungen aus dem Praktikum

Dr. Clemens Nagel

Inhalt 1. eLearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt

a. Ein konventionelles Physikpraktikum als Blended -Learning Konzept b. Beispiel: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera c. Evaluation und Ergebnisse

2. Physik für Meteorologie a. Ein adressatenspezifisches konventionelles Physikpraktikum b. Beispiele: Solarzellen & Akku c. Evaluation und Ergebnisse

3. Physik für Ernährungswissenschaften a. Ein adressatenspezifisches konstruktivistisches Physikpraktikum b. Beispiel: Spektroskopie (Lebensmittelfarbstoffe) c. Online-Praktikumseinheiten Bioimpedanzanalyse, Kalorimetrie d. Evaluation und Ergebnisse

Inhalt 1. eLearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt

a. Ein konventionelles Physikpraktikum als Blended -Learning Konzept

Ein konventionelles Physikpraktikum als Blended-Learning Konzept

• Blended-Learning: Praktikum = Präsenzphase, Vorbereitung = eLearning-Phase

www.univie.ac.at/anfpra • eSkripten als hyperref-pdf für flexible Nutzung.

TeX-basiert, für rasche Adaptierbarkeit • Zusatzinformationen: eigene Texte, ausgewählte Linksammlungen • Computergestütztes Experimentieren und Datenauswerten

Inhalt 1. eLearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt

b. Beispiel: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera

Beispiel-Experimente: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera

Wärmebildkameras im Handel ab ca. 1.200,- EUR – Mit Datenauslesemöglichkeit ab ca. 2.000,- EUR

1. Experiment: Nicht-stationärer Wärmestrom – 2 Stk. Eisenquader, matt schwarz lackiert – Wärmeleitpaste (z.B. bei Conrad) – Tassenwärmer für T>35°C

nach Harten, 2010

Beispiel-Experimente: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera

1. Experiment: Nicht-stationärer Wärmestrom: – Auswertung der unteren Hälfte der Kurve mit FEHLERFUNKTION (ERF)

(Eisen, gemessen)= (7480 ± 350) kg/m3

c(Eisen, 32°C, gemessen) = (454,6 ± 0,7) J/(kg.K) aus „C“ folgt = /( c) = 50 W/(m.K)

Gusseisen

„B“=Tmax

„A“=T0

Beispiel-Experimente: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera

2. Experiment: Stationärer Wärmestrom: – Aluminiumblech 10 cm, lackiert – Kupferblock (Wärmesenke) – 330 Ohm Heizwiderstand bei ca. U=15V – Montage mit Wärmeleitkleber, od. geschraubt mit Wärmeleitpaste

dxdTA

tQ

dxdTAtQ

LCD-Display: Polarisation

von Licht

Strahlungsgesetze, Reflexion, Absorption, Transmission, Emission

(f. Kalibration)

Geometrische Optik: Germanium-Optik für

IR-Abbildung auf Detektor

IR-Detektor Bolometermatrix:

Wheatstone-Messbrücke mit aSi-Thermistoren auf

CMOS-Gatter

Didaktische Rekonstruktion anhand methodischer Elemente der Wärmebildkamera

4)( TATP

Inhalt 1. eLearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt

c. Evaluation und Ergebnisse

Evaluation und Ergebnisse • Erfolgreiche theoriegeleitete didaktische Innovation

(>90 Experimente, 42 Kurstage, 4 LVen, 16 Betreuer) • Evaluation qualitativ:

– Lerntypen (lernzielorientiert vs. aufwandsökonomisch) Nutzungstypen (Intensivnutzer und Individualnutzer / „Edutainment“)

• Kriterienbasierte Evaluation: – Nützlichkeit Angebot, Nutzung, selbstorganisiertes Lernen: OK – Leistungssteigerung: Ja, aber…

Ergebnis zu Konzeptverständnis und Transferleistungen kann nicht zufriedenstellen!

• Schlussfolgerungen: – Ziele des Praktikums überdenken, abstimmen – Konzeption des Praktikums überdenken – Testinstrument mit Kontrollgruppendesign entwickeln

Inhalt

2. Physik für Meteorologie a. Ein adressatenspezifisches konventionelles Physikpraktikum

Ein adressatenspezifisches Physikpraktikum für Meteorologie

• Blended-Learning-Praktikum wie für Bachelor und Lehramt • Didaktische Rekonstruktion des Praktikums

Erfassen von Lernenden- Perspektiven

Fachliche Klärung, Elementarisierung

Didaktische (Re-)Strukturierung

nach Kattmann/Duit/Gropengießer/Komorek 1997

Ein adressatenspezifisches Physikpraktikum für Meteorologie

• Forderungen an die did. Restrukturierung (nach Haller, 2011): Selbständiges Experimentieren erlernen, z.B. Oszi Anpassung der Fachbegriffe an Meteorologie Theorieaufbereitung in Bezug auf meteorologische Anwendungen Kontext der Inhalte und Experimente zu Meteorologie verdeutlichen Wissen vertiefen in Meteorologie-relevanten Themengebieten

Gezielter Einbau von Mikrokontexten (Haller, 2011) Kapitel „Meteorologischer Kontext“ zu Beginn jedes eSkripts z.B. Meteorologische Messstationen (Solarzelle, Dioden, Akku) www.univie.ac.at/anfpra/

Inhalt

2. Physik für Meteorologie

b. Beispiele: Solarzellen & Akku

Beispielexperiment: Solarzelle, Akku, autarke Energieversorgung • Eigenschaften elektrischer Energiequellen: U/I-Kennlinie

– Ideale Stromquelle (Transistorschaltung) mit/ohne Verlustelement – Ideale Spannungsquelle (geladener Akkumulator)

• El. Eigenschaften der Solarzelle als Stromquelle: U/I-Kennlinie – Optimale Beleuchtung, ULL / IKS / Pmax-Bestimmung – Bewölkung – Teilbeschattung

• Ladekapazität des Akkus, Ladezustandsbestimmung – Innenwiderstand und Klemmenspannung

• Autarke Energieversorgung: Solarzelle soll Akkus laden – Schaltungsoptimierung für Ladevorgang – Abschätzung der verfügbaren Energiemenge für Messstation Sterzing

nach Schlosser, V. (2010)

Beispielexperiment: Solarzelle, Akku, autarke Energieversorgung

• 2 Stk. AA NiMH Akku 800mAh • 12 V High-Power LED, 12V DC • 12 V DC Spannungsquelle • 10 Ohm Messwiderstand • 0-2 kOhm Potentiometer

• Solarmodul 3x aSi Zellen • Karton, Diffusorfolie (feines Papiertuch) • Multimeter • Stromquellen-Schaltung (optional mit LED)

Konzept: V. Schlosser, 2009

Beispielexperiment: Solarzelle, Akku, autarke Energieversorgung Ergebnisse:

voll beleuchtet

bewölkt (diffus) beleuchtet

teilbeschattet

Iext (A) Iext (A)

UL (V) UL (V)

A)

Beispielexperiment: Solarzelle, Akku, autarke Energieversorgung Ergebnisse:

Iext (A)

Inhalt

2. Physik für Meteorologie

c. Evaluation und Ergebnisse

Evaluation und Ergebnisse • Erfolgreiche didaktische Rekonstruktion, wenn auch mit

Einschränkungen (Systemhürden) • Untersuchung der Effekte des adressatenspezifischen

Praktikums auf: – Motivation (Ryan & Deci) – Kognitives Engagement – Anstrengungsbereitschaft – Lernstrategien (Wiederholung vs. Tiefenstrategien) – Relevanz für das Studium – Leistung

Quantitativ (Testsetup) und qualitativ (Interviews)

Evaluation und Ergebnisse

Haller, 2011

Haller, 2011

Vergleichbarkeit von Kontroll- und Treatmentgruppe

Vergleich von Kontroll- und Treatmentgruppe

nach den jeweiligen Praktika

Evaluation und Ergebnisse • Mit qualitativen Methoden konnte gezeigt werden:

– Kontexte sind für Studierende eine willkommene Bestätigung, sich auf das Praktikum vorzubereiten – Hinweise auf Steigerung des situationalen Interesses

– Jedoch nicht für Steigerung der lernwirksamen Voraussetzungen notwendig, da Studierende bereits motiviert sind

– Entscheidende Eindrücke über die Lehrveranstaltung hinterlassen die Lehrenden

Inhalt

3. Physik für Ernährungswissenschaften a. Ein adressatenspezifisches konstruktivistisches Physikpraktikum

Ein adressatenspezifisches konstruktivistisches Praktikum

Adressatenspezifisch Didaktische Rekonstruktion des Praktikums (Wolny, 2010) • Einbettung der Experimente in sinnstiftende Kontexte zu

Fachwissenschaft und Berufsfeld

Konstruktivistisch Wissenskonstruktion durch das Praktikum,

nicht vor dem Praktikum: Keine klassische Vorbereitung…

Bedeutungskonstruktion in der konstruktivistischen Lerntheorie

Gedächtnis

Wahrnehmung

Erwartung

Handlung

Umwelt

Wahrnehmung

Handlung

Umwelt Erwartung Gedächtnis

Aktivität eines kognitiven Systems Welzel 1995, 25.

Viabilität von Bedeutungskonstruktionen

W0 W1 W2

E0 E1 E2

H0 H1 Spiralförmige Folge modifizierter Wahrnehmungen nach Neumann 2004, 20.

Diskrepanz

Veränderung

Konvergierend

situativ

individuell

Wie sieht ein konstruktivistisches Praktikum aus? – Arbeitsbuch:

• anknüpfend an die erwartbaren Wissensvoraussetzungen • Komplexitätsebenen ansteigend, immer von Objekten ausgehend • kleinschrittig aufgebaut, der spiralförmigen Folge modifizierter

Wahrnehmungen folgend um zu viablen Konstrukten zu gelangen

– Kein Protokoll: Ergebnisse im Arbeitsbuch verarbeitet – Theorie in der Nachbereitung

– Online-Einheiten:

• wie Arbeitsbuch, nur mit Theorie vermischt • Interaktive Bildschirm Experimente • Videos / Animationen / Applets

Übungseinheiten …Online …Präsenz

O – Geometrische Optik Aufbauende

Experimente zum Strahlengang des

Mikroskops: Objektiv, Okular,

Feldlinse, Köhler‘sche Beleuchtung

W - Wechselstrom Aufbauende

Experimente für die Bioimpedanzanalyse:

Bedienung Oszilloskop, R-R- & R-C-

Serienschaltung, Phasenverschiebung K – Kalorimetrie

Spez. Wärmekapazität von H2O,

Verbrennungskalorimetrie (Energiegehalt von

Nahrung), Grundumsatz einer Maus

E – Elektrizität Aufbauende

Experimente für elektrische

Messungen: Leitfähigkeit eines

Elektrolyten, Wasseranalyse

F – Eigenschaften von Flüssigkeiten

Temperaturabhängig-keit der Viskosität

(Lebensmittelindustrie)Oberflächenspannung

(Reinigungsmittel)

M – Messen/Messtechnik Körpertemperatur

(Statistik), BMI (Fehlerfortpflanzung),

Füllgeschwindigkeit (lineare Regression)

S – Spektrometrie Lichtbrechung und

Dispersion (Prisma), Absorptionsspektrum von Chlorophyll, Konzentrationsbestimmung von E120 in

M&M - Bonbons

Inhalt

3. Physik für Ernährungswissenschaften

b. Beispiel: Spektroskopie (Lebensmittelfarbstoffe)

Didaktische Rekonstruktion Spektrometrie 1. Die Farben des Regenbogens

• Weißes Licht (Glühbirne) wird mit einem Prisma in seine Spektralfarben zerlegt

• Qualitative Untersuchung der Farben mit dem USB-Spektrometer • Elektromagnetisches Spektrum • Absorption qualitativ: am Beispiel Praseodym-Lösung

2. Warum ist der Spinat grün? (Pflanzenfarbstoff) • Vom Transmissionsspektrum zum Absorptionsspektrum • Aufnahme und Interpretation des Absorptionsspektrums einer Chlorophylllösung

3. Wie viele rote M&M-Bonbons darf man täglich essen? • Anfertigen einer Lebensmittelfarbstofflösung (E120) aus einem roten M&M-

Bonbon • Extinktionsmessung (Lambert-Beer‘sches Gesetz), Vergleich mit 2 bekannten

Standardlösungen • Konzentrationsbestimmung aus Extinktion gegen Konzentration • Vergleich mit MDI (maximum daily intake) von

5 mg/kg Körpermasse

Wolny, B. 2009

Inhalt

3. Physik für Ernährungswissenschaften

c. Online-Praktikumseinheiten Bioimpedanzanalyse, Kalorimetrie

Didaktische Rekonstruktion Bioimpedanzanalyse 1. Wechselstrom

• Was ist Wechselstrom / Unterschied zum Gleichstrom • Darstellung von Wechselspannung am Oszilloskop (IBE) • Vergleich: Messung mit dem Multimeter / Oszilloskop,

Effektivwerte (IBE) • Frequenzmessung mit dem Oszilloskop (IBE)

2. Wechselstromwiderstände • Serienschaltung mit ohmschen Widerständen (IBE) • RC-Serienschaltung (IBE) • Frequenzabhängigkeit der Wechselstromwiderstände

und Bestimmung der Phasenverschiebung (IBE) 3. Bioimpedanzanalyse (BIA)

• Ersatzschaltung der Zellen im menschlichen Körper • Messparameter der Bioimpedanzanalyse • Calipometrische Körperfettbestimmung und Vergleich mit BIA (Video) • Multifrequenzmessung zur Körperwasserberechnung • Phasenverschiebung als Parameter der Zellgesundheit (VIDEO)

Bauer, J. 2011

Inhalt

3. Physik für Ernährungswissenschaften

d. Evaluation und Ergebnisse

Evaluation und Ergebnisse • Erfolgreiche didaktische Rekonstruktion (M & O) und erste

Evaluation quantitativ und qualitativ (Wolny, 2010)

• Entwicklung und Evaluation von E und W (Bauer,2011) bzw. F und K (Hofmann, 2011)

• Quantitative Untersuchung (Nagel, 2011) der Effekte des adressatenspezifischen Praktikums auf: – Motivation (Ryan & Deci) – Kognitives Engagement – Anstrengungsbereitschaft – Lernstrategien:

(Wiederholung vs. Tiefenstrategien) – Relevanz für das Studium – Leistung

Evaluation und Ergebnisse

Nagel, 2011

Evaluation und Ergebnisse

Wolny, 2011

Evaluation und Ergebnisse • Beide Praktikumssetups steigern die Motivation gegenüber

der Physikvorlesung • Motivationshaltung (Post) in Treatmentgruppe aber nicht

höher als in Kontrollgruppe • Leistung der Treatmentgruppe besser (Naturwissenschaftliche

Arbeitsweisen) • Lernstrategie Elaboration in Treatmentgruppe stärker

angewendet • Anstrengungsbereitschaft nur in Treatmentgruppe gestiegen • Relevanz für das Studium in der Treatmentgruppe besser

erkennbar • Einstellungen zu Experimenten in neuem Praktikum signifikant

besser

HINWEIS 1: Morgen Di., Seminar im AnfPra:

noch 5 weitere Plätze! Im Anschluss persönlich bei mir

nachmelden.

HINWEIS 2: physics:lab im Sommersemester

uni:orientiert am 12./13.April

DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT