Experimentieren in der Oberstufe

Transkript

1 Experimentieren in der Oberstufe Anregungen aus dem Praktikum Dr. Clemens Nagel

2 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

3 Inhalt 1. elearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt a. Ein konventionelles Physikpraktikum als Blended -Learning Konzept

4 Ein konventionelles Physikpraktikum als Blended-Learning Konzept Blended-Learning: Praktikum = Präsenzphase, Vorbereitung = elearning-phase eskripten als hyperref-pdf für flexible Nutzung. TeX-basiert, für rasche Adaptierbarkeit Zusatzinformationen: eigene Texte, ausgewählte Linksammlungen Computergestütztes Experimentieren und Datenauswerten

5 Inhalt 1. elearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt b. Beispiel: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera

6 Beispiel-Experimente: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera Wärmebildkameras im Handel ab ca ,- EUR Mit Datenauslesemöglichkeit ab ca ,- 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

7 Beispiel-Experimente: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera 1. Experiment: Nicht-stationärer Wärmestrom: Auswertung der unteren Hälfte der Kurve mit FEHLERFUNKTION (ERF) B =T max (Eisen, gemessen) = (7480 ± 350) kg/m 3 c (Eisen, 32 C, gemessen) = (454,6 ± 0,7) J/(kg.K) A =T 0 aus C folgt = /( c) = 50 W/(m.K) Gusseisen

8 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 Q t A dt dx Q t dt A dx

9 Didaktische Rekonstruktion anhand methodischer Elemente der Wärmebildkamera 4 P ( T ) A T Strahlungsgesetze, Reflexion, Absorption, Transmission, Emission (f. Kalibration) LCD-Display: Polarisation von Licht Geometrische Optik: Germanium-Optik für IR-Abbildung auf Detektor IR-Detektor Bolometermatrix: Wheatstone-Messbrücke mit asi-thermistoren auf CMOS-Gatter

10 Inhalt 1. elearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt c. Evaluation und Ergebnisse

11 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

12 Inhalt 2. Physik für Meteorologie a. Ein adressatenspezifisches konventionelles Physikpraktikum

13 Ein adressatenspezifisches Physikpraktikum für Meteorologie Blended-Learning-Praktikum wie für Bachelor und Lehramt Didaktische Rekonstruktion des Praktikums Didaktische (Re-)Strukturierung Fachliche Klärung, Elementarisierung Erfassen von Lernenden- Perspektiven nach Kattmann/Duit/Gropengießer/Komorek 1997

14 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)

15 Inhalt 2. Physik für Meteorologie b. Beispiele: Solarzellen & Akku

16 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, U LL / I KS / P max -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)

17 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

18 Beispielexperiment: Solarzelle, Akku, autarke Energieversorgung Ergebnisse: I ext (A) I ext (A) voll beleuchtet bewölkt (diffus) beleuchtet teilbeschattet U L (V) U L (V)

19 Beispielexperiment: Solarzelle, Akku, autarke Energieversorgung Ergebnisse: I ext (A)

20 Inhalt 2. Physik für Meteorologie c. Evaluation und Ergebnisse

21 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)

22 Evaluation und Ergebnisse Vergleichbarkeit von Kontrollund Treatmentgruppe Vergleich von Kontrollund Treatmentgruppe nach den jeweiligen Praktika Haller, 2011 Haller, 2011

23 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

24 Inhalt 3. Physik für Ernährungswissenschaften a. Ein adressatenspezifisches konstruktivistisches Physikpraktikum

25 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

26 Bedeutungskonstruktion in der konstruktivistischen Lerntheorie Wahrnehmung Umwelt Gedächtnis Erwartung Handlung Aktivität eines kognitiven Systems Welzel 1995, 25.

27 Viabilität von Bedeutungskonstruktionen situativ W 0 W 1 W 2 E 0 E 1 E 2 individuell H 0 H 1 Spiralförmige Folge modifizierter Wahrnehmungen nach Neumann 2004, 20. Diskrepanz Konvergierend Veränderung

28 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

29 M Messen/Messtechnik Körpertemperatur (Statistik), BMI (Fehlerfortpflanzung), Füllgeschwindigkeit (lineare Regression) S Spektrometrie Lichtbrechung und Dispersion (Prisma), Absorptionsspektru m von Chlorophyll, Konzentrationsbesti mmung von E120 in M&M - Bonbons O Geometrische Optik Aufbauende Experimente zum Strahlengang des Mikroskops: Objektiv, Okular, Feldlinse, Köhler sche Beleuchtung Übungseinheiten Online Präsenz K Kalorimetrie Spez. Wärmekapazität von H 2 O, Verbrennungskalorimetr ie (Energiegehalt von Nahrung), Grundumsatz einer Maus F Eigenschaften von Flüssigkeiten Temperaturabhängigkeit der Viskosität (Lebensmittelindustrie) Oberflächenspannung (Reinigungsmittel) E Elektrizität Aufbauende Experimente für elektrische Messungen: Leitfähigkeit eines Elektrolyten, Wasseranalyse W - Wechselstrom Aufbauende Experimente für die Bioimpedanzanalyse: Bedienung Oszilloskop, R-R- & R-C- Serienschaltung, Phasenverschiebung

30 Inhalt 3. Physik für Ernährungswissenschaften b. Beispiel: Spektroskopie (Lebensmittelfarbstoffe)

31 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

32 Inhalt 3. Physik für Ernährungswissenschaften c. Online-Praktikumseinheiten Bioimpedanzanalyse, Kalorimetrie

33 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

34 Inhalt 3. Physik für Ernährungswissenschaften d. Evaluation und Ergebnisse

35 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

36 Evaluation und Ergebnisse Nagel, 2011

37 Evaluation und Ergebnisse Wolny, 2011

38 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

39 HINWEIS 1: Morgen Di., Seminar im AnfPra: noch 5 weitere Plätze! Im Anschluss persönlich bei mir nachmelden.

40 HINWEIS 2: physics:lab im Sommersemester uni:orientiert am 12./13.April DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT