Einsatz interaktiver Vorlesungsfragen in der Experimentalphysik

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1 Einsatz interaktiver Vorlesungsfragen in der Experimentalphysik Mechanik und ihre mathematischen Methoden Frank Stallmach Institut für Experimentelle Physik I Vortrag während des LiT.Shortcuts Aktivierung im Hörsaal!, HDS, Universität Leipzig, Inhalt Motivation Ziele und Methoden Interaktive Vorlesungsfragen in verschiedenen Lehrsituationen Kennenlernen Anwendung des behandelten Stoffes Frage Antwort Diskussion Frage(Peer Instruction) Zusammenfassung

2 Motivation Inspiration durch HDS Kurs im März 2013 zu Lehre in den MINT Fächern Umstrukturierungen der Staatsexamen Studiengänge in Sachsen und des Physik Studiums an der Fakultät Trennung der Experimentalphysik Ausbildung für zukünftige Lehrer und Wissenschaftler Ausarbeitung neuer Experimentalphysik Module für Physik Lehramtsstudenten Quanten und Atomphysik (5 LP) 4. Semester seit 2009; mit Clicker System erstmals im SS 2014 Mechanik und ihre mathematischen Methoden (10 LP) 1. Semester neue im WS 2014/15; konzipiert mit dem Einsatz von interaktiven Vorlesungsfragen Ziele und Methode Vermittlung von Erfahrungen beim Einsatz interaktiver Vorlesungsfragen aus der Sicht des Dozenten Darlegung der Lehr und Vorlesungssituation Motivation der gestellten Fragen Diskussion der Antworten der Studenten Schlussfolgerungen aus den Antworten Erläuterung an Beispielen aus der Experimentalphysik Mechanik Anwendung des PowerPoint basierten Systems von Turning Technologies INC (USA)

3 1. Kennenlernen 1. Vorlesung im Kurs Studenten im Staatsexamen Lehramt Physik mit unterschiedlichsten Fachkombinationen 90 eingeschriebene Teilnehmer 4 Übungsgruppen (je 2 SWS) Was sind die Bedingungen unter denen wir mit den Studenten arbeiten? Wie sehen die Vorkenntnisse aus? Nehmen die Studenten das Clicker Systems an? F. Stallmach: Mechanik und ihre mathematischen Methoden, Uni Leipzig, Wo haben Sie Ihre Hochschulreife (Abitur) erhalten? A. Leipzig und Landkreis Leipzig B. Sachsen C. An Sachsen angrenzende Länder D. Andere deutsche Bundesländer E. Weiter entferntes Ausland Leipzig und Landkreis... 15% 40% Sachsen An Sachsen angrenzen.. 25% 21% Weiter entferntes Aus... Andere deutsche Bund... 0%

4 Welches ist Ihr zweites Fach im Lehramtsstudium? A. Biologie B. Chemie C. Deutsch D. Fremdsprache E. Geschichte F. Kunst G. Mathematik H. Musik I. Sport J. Anderes Fach 3% Biologie Chemie Deutsch 12% 0% 7% Fremdsprache Geschichte Kunst 8% 3% 26% 4% Mathematik Musik Sport Anderes Fach 12% 25% Sie beobachten am Straßenrand ein anfahrendes Auto, dem eine lose Kiste vom Dach rutscht. Welche Kraft ist dafür verantwortlich? A. Die Luftwiderstandskraft. B. Die Trägheitskraft. C. Die Reibungskraft. D. Keine Kraft.

5 2. Anwendung des behandelten Stoffes Thema: 3. Newtonsches Axiom Actio = Reactio Zu jeder Aktionskraft gehört eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Reaktionskraft. Kräfte entstehen aus Wechselwirkungen zwischen Körpern. Wechselwirkungen sind immer zweiseitig. Problem: Auffinden der jeweils zusammengehörigen Aktions und Reaktionskräfte Fragen modifiziert aus P. Tipler, G. Mosca: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure Sie halten Ihren Stift ruhig in der Hand. Die Reaktionskraft auf die Normalkraft, die von Ihrer Hand auf den Stift ausgeübt wird, ist die Kraft A. der Erde auf den Stift. B. des Stifts auf die Erde. 47% C. der Hand auf den Stift. D. des Stifts auf die Hand. E. der Erde auf die Hand. 20% 12% 16% 4% A. B. C. D. E.

6 Sie halten Ihren Stift ruhig in der Hand. Die Reaktionskraft auf die Gewichtskraft des Stifts ist die Kraft A. der Erde auf den Stift. B. des Stifts auf die Erde. C. der Hand auf den Stift. 62% D. des Stifts auf die Hand. 21% E. der Erde auf die Hand. 12% 2% 4% A. B. C. D. E. 3. Frage Antwort Diskussion Frage Thema: Erhaltung der mechanischen Energie konservative Kräfte, Arbeit und Energie kinetische und potenzielle Energie als Formen der mechanischen Energie Bewegungsbeispiele freier Fall und reibungsfreies Gleiten auf der schiefe Ebene Probleme: Anwendung der Konzepte und Begriffe Energieerhaltung auf der schiefen Ebene Fragen modifiziert aus D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Halliday Physik (online Dozentenmaterial) Wiley VHC, 2013.

7 Die Abbildung zeigt drei Wege, welche die Punkte a und b miteinander verbinden. Die angegebenen Arbeiten werden entlang des jeweiligen Wegs von einer Kraft F an einem Teilchen verrichtet, das sich in die eingezeichnete Richtung bewegt. 1. Abfrage Ist die Kraft F konservativ? A. Ja B. Nein C. Ich weiß nicht, was konservativ hier bedeuten? Ja Nein Ich weiß nicht... Anzahl (von 38): Die Abbildung zeigt drei Wege, welche die Punkte a und b mitein ander verbinden. Die angegebenen Arbeiten werden entlang des jeweiligen Wegs von einer Kraft F an einem Teilchen verrichtet, das sich in die eingezeichnete Richtung bewegt. 2. Abfrage nach Diskussion Ist die Kraft F konservativ? A. Ja B. Nein C. Ich weiß nicht, was konservativ hier bedeuten? Ja Nein Ich weiß nicht... Anzahl (von 40):

8 Ein Block fällt (Situation 1) bzw. gleitet reibungsfrei (Situationen 2, 3 und 4) unter dem Einfluss der Gravitationskraft vom Punkt A zum Punk B. Ordnen Sie die Situationen in absteigender Reihenfolge nach dem Betrag der Geschwindigkeit des Blocks im Punkt B. A B C. 1 (2=3=4) D. (2=3=4) 1 E. 1 2 (3=4) F. 1=2=3=4 Ein Block fällt (Situation 1) bzw. gleitet reibungsfrei (Situationen 2, 3 und 4) unter dem Einfluss der Gravitationskraft vom Punkt A zum Punk B. Ordnen Sie die Situationen in absteigender Reihenfolge nach dem Betrag der Geschwindigkeit des Blocks im Punkt B. 1. Abfrage A B C. 1 (2=3=4) D. (2=3=4) 1 E. 1 2 (3=4) F. 1=2=3=4 A B C D E F Anzahl (von 38):

9 Ein Block fällt (Situation 1) bzw. gleitet reibungsfrei (Situationen 2, 3 und 4) unter dem Einfluss der Gravitationskraft vom Punkt A zum Punk B. Ordnen Sie die Situationen in absteigender Reihenfolge nach dem Betrag der Geschwindigkeit des Blocks im Punkt B. 2. Abfrage nach Diskussion A B C. 1 (2=3=4) D. (2=3=4) 1 E. 1 2 (3=4) F. 1=2=3=4 A B C D E F Anzahl (von 40): Zusammenfassung Erfahrungen mit interaktiven Fragen in der Mechanik Vorlesungen schnelles und repräsentatives Feedback zu Vorstellungen und Wissensstand der Studenten Anreize zur eigenständigen und kritischen Reflexion des Stoffes Einbindung von Diskussionen unter den Studenten in die Wissensvermittlung Strukturierung der Vorlesung und Reflexion der Lehrleistung zeitaufwändig in Vorbereitung und Durchführung weniger Stoff pro Kurs (Ausgleich durch Selbststudium möglich?) zusätzliche Ressourcen erforderlich