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Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissen­schaft­liche Fakultät - Didaktik der Physik | Physics Education Research

Der Umgang mit Variablen bei offenen Experimentierumgebungen im Physikunterricht

Diese Forschungsarbeit beschreibt und bewertet beobachtbare Experimentierprozesse hinsichtlich der grundlegenden naturwissenschaftlichen Arbeitsweise „Umgang mit Variablen“, die Gymnasiasten am Ende der Sekundarstufe I bei der Bearbeitung einer offenen Experimentieraufgabe im Physikunterricht zeigen. Dargelegt wird zudem der Nutzen einer differenzierten Begriffsbestimmung für eine zielorientierte und strukturierte Entwicklung von offenen Experimentieraufgaben. In einer empirisch-quantitativen Exploration mit 82 Schülern wird eine offene Aufgabenstellung zum Thema Windenergie eingesetzt, die den Experimentierenden bezüglich der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise einen hohen Grad an Entscheidungsmöglichkeiten erlaubt. Die Studie möchte für den Umgang mit Variablen die Wirksamkeit der offenen Experimentieraufgabe aufzeigen und zwar unter der Bedingung, dass Schüler vor der Bearbeitung der offenen Experimentieraufgabe eine vorbereitende bzw. keine vorbereitende Instruktion erhalten. Das Hauptinteresse der vergleichenden Studie liegt bei einem Kontexttransfer, den die Schüler von der vorbereitenden Instruktion auf die offene Experimentieraufgabe leisten müssen, wenn sie a) keinen Wechsel der Experimentierbedingungen und b) einen Wechsel der Experimentierbedingungen vorfinden. Die Untersuchung beruht auf einem Kontrollgruppendesign, in dem die Experimentierprozesse mittels eines Beobachtungsbogens erfasst werden. Das erhobene Datenmaterial stellt die Basis für eine kriteriengeleitete Bewertung und Einweisung der Experimentierprozesse in Niveaustufen dar. Um die qualitativen Ergebnisse zu stützen, werden statistische Verfahren eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fähigkeit der Probanden mit Variablen umzugehen, durch den Einfluss einer vorbereitenden Instruktion erheblich gesteigert wird. Eine Abhängigkeit vom Grad der Kontextunterschiede zwischen der vorbereitenden Instruktion und der offenen Experimentieraufgabe wird nur gefunden, wenn die Probanden neben den veränderten Kontexten auch veränderte Experimentierbedingungen vorfinden. Die Ergebnisse verleiten für die Vermittlung der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise „Umgang mit Variablen“ zu der forschungsbezogenen Aussage: Mehr Offenheit beim Experimentieren wagen! 

Dealing with variables in Open-ended Experiments

This research paper describes and rates observable experimental processes which secondary school students (aged 16) reveal, concerning the fundamental scientific method of using variables in open-ended experimental tasks in the physics classroom. In addition, the benefit of a corresponding sophisticated definition will be shown in order to enable a goal-oriented and structured development of open-ended experimental tasks. In an empirical quantitative exploration with 82 school students, an open-ended problem on the topic of wind power is utilized, allowing a high degree of autonomy in decision-making concerning the scientific method of using variables. The study aims to demonstrate the effectiveness of open-ended experimental tasks depending on whether or not the students received preparation instructions beforehand. The main focus of the comparative study lies in a transfer of context which students need to perform between the preparation instruction and the open-ended experimental task with or without a shift of experimental conditions. The investigation is based on a control-group design, capturing experimental processes by use of a monitoring sheet. The collected data forms the basis for a criteria-oriented rating of experimental processes and their assignment to certain levels. The qualitative results are supported by the use of statistical methods. The results show that the students’ ability to use variables is significantly enhanced by receiving preparation instructions. Dependence on the degree of the context-shift between preparation instruction and the open-ended experimental task is only the case when students find shifted contexts alongside altered experimental conditions. For the teaching of the scientific method of using variables, the results lead to a research-related statement: dare to employ more open-ended experiments. 

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Publikationen | Publications

Dissertation | Theses

Kirchner, S. (2013). Der Umgang mit Variablen bei offenen Experimentieraufgaben im Physikunterricht - Eine Beobachtungsstudie am Beispiel der Konstruktion von auftriebserzeugenden Profilen für ein Windradmodell. Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin. PDF

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