Physikdidaktische Forschung und Entwicklung

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CO2BS – Coole Bäume und Sensoren

Wissenschaftliche Partner*innen: Universität Salzburg, Didaktik der Physik und Fachbereiche Mathematik, Geographie & Geologie, Pädagogische Hochschule Salzburg Stefan Zweig, Institut für Didaktik, Unterrichts- & Schulentwicklung,
Schulische Bildungseinrichtungen: Naturpark Volksschule Zederhaus, Praxisvolksschule der PH Salzburg, Volksschule Bergheim, Neue Mittelschule Bergheim, NMS Praxisschule der PH Salzburg, Volksschule Salzburg der Franziskanerinnen von Vöklabruck
Unternehmensparter*innen: SIGMATEK – Komplette Automatisierungssysteme, Sony DADC Europe Limited, ZAMG – Zentralanstalt für Meteorologie & Geodynamik
Durch ihre kühlende Wirkung und die Speicherung von CO2 beeinflussen Bäume positiv unser Klima. Im Projekt CO2BS verbindet der Baum als außerschulischer Lernort die Interessensbereiche Mensch, Natur und Technik. Dabei werden Schüler_innen selbständig forschend tätig und erhalten erste Einblicke in Natur und Technik. Beim gemeinsamen Experimentiertag erhalten sie im Projekt die Chance, selbst in die Rolle von Forscher_innen zu schlüpfen.
Anschließend finden drei aufeinander aufbauende Workshops zu den Lernmodulen statt:

  • „Data2Sensor“: Bau von einfachen Schaltkreisen und angeleitetes Programmieren von Sensoren.
  • „Sensor2App“: Gemeinsames Messen von Klimaparametern mittels App.
  • “App2Analyse“: Altersgerechte statistische Aufbereitung und Visualisierung der Messdaten.

Durch die inhaltliche Vielfalt der drei Lernmodule und die Herstellung eines lebensweltlichen Bezugs sollen die Interessen aller Schüler_innen angesprochen werden. Die Inhalte des Experimentiertags und der Modul-Workshops werden im Experimentierkoffer „Tool Kits für CO2l Kids“ und in unserer digitalen Methodenbox den Projektschulen und für Kooperationszuschuss-Schulen zur Verfügung gestellt.
Bei Betriebsexkursionen erhalten die Schüler_innen Einblicke in unsere Projektpartnerunternehmen. Zudem lernen sie bei einem gemeinsamen Karrieretag interessante Persönlichkeiten, Role Models und deren beruflichen Werdegang kennen, wodurch Schüler_innen zusätzlich für MINT-Berufe begeistert werden sollen.

Salzburger Bildungslabore

Kooperationsprojekt von Paris Lodron-Universität Salzburg und Pädagogischer Hochschule Stefan Zweig Salzburg

Die Salzburger Bildungslabore entwickeln, planen, erproben und dokumentieren auf der Basis aktueller Forschung nach internationalen Standards neuartige Lehr- und Lernprozesse für das österreichische Bildungswesen. Es möchte alle hier involvierten Gruppen in konkreten Projekten ins Gespräch und auf Augenhöhe zur Kooperation bringen: Schülerinnen und Schüler, Lehrerinnen und Lehrer, Studierende der Lehramtsfächer, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Bildungswissenschaften, Fachwissenschaften und Fachdidaktiken.
Die Salzburger Bildungslabore bündeln die wissenschaftliche und pädagogische Expertise am Standort Salzburg; es ist die einzige Institution ihrer Art in Österreich und will ein „Leuchtturmprojekt“ für neue Lehr- und Lernformen sein. Es soll einen „thirdspace“ eröffnen, in dem neue Begegnungs- und wechselseitige Lernprozesse der beteiligte wird als außerschulischer Lernort Gruppen stattfinden können.
Die Salzburger Bildungslabore setzen an der Lehramtsausbildung als einer Schlüsselstelle für Innovationen im Bildungssystem an. Von hier aus werden Angebote in verschiedenen Formaten mit und für Schulen entwickelt, wobei das Labor mit seiner Expertise auch auf Anfragen, Anregungen, Bedürfnisse und Angebote aus Schule und Hochschule reagiert. Die Formate der Labore reichen von punktuellen Veranstaltungen (z.B. Diskussionsveranstaltungen) bis zu semesterlangen Kooperationen. Gelungene Projekte sollen auch in die Lehrer*innenfortbildung Eingang finden.
Alle Bildungslabor-Initiativen haben gemeinsam, dass sie

  • die demokratische, partizipative und kulturelle Dimension aller Bildungsprozesse in den Vordergrund stellen und fördern;
  • in ihrer Anlage die sprachliche und historische Konstruktivität des Wissens, seiner institutionellen und sozialen Kontexte und seiner ‚Gegenstände‘ mitbedenken und sichtbar machen;
  • Lern- und Bildungsprozesse anleiten, verbessern, beobachten, reflexiv begleiten und in angemessener Form bildungswissenschaftlich dokumentieren, didaktisch aufarbeiten und als Modelle samt dazu entwickelter Materialien für die Schulpartner eines Projektes und die Studierenden auf gemeinsamen elektronischen Plattformen verfügbar machen;
  • Lernprozesse als kreative, selbstgesteuerte und selbstermächtigende kulturelle Prozesse verstehen;
  • mindestens zwei Gruppen unterschiedlicher institutioneller Verortung (Schule, Wissenschaft, LehrerInnenbildung; FD, FW, BIWI, Studierende, LuL, SuS) involvieren und in einen thematischen Dialog treten lassen;
  • Bildungsprozesse und Ergebnisse, Produkte etc. von Studierenden und Schülerinnen und Schülern auch für die Öffentlichkeit sichtbar machen,

Bildungslaborprojekte gliedern sich in die Bereiche Forschendes Lernen: experimentieren – erproben – diagnostizieren; Konzeptlernen: theoretisieren – debattieren – hinterfragen; und Kreatives Lernen: erzählen – gestalten – inszenieren. Sie setzen an Themen an, perspektivieren sie auf unterschiedliche Kontexte und Praxisfelder hin; sie gehen damit über die herkömmlichen Verortungen von ‚Gegenständen‘ in Schulfächern und Wissenschaftsdisziplinen hinaus. Sie begreifen die Schule nicht nur als Vermittlungsinstitution von ‚fertigem‘ und ‚gesichertem‘ Wissen, sondern als Plattform zur Aushandlung gesellschaftlicher und epistemischer Bedeutungen solchen Wissens. Angesichts der immer noch fortschreitenden Ausdifferenzierung von Geistes-, Kultur-, Gesellschafts- und Naturwissenschaften erweist sich die Schule als einer der wenigen verbliebenen Orte einer common culture des Wissens, die auch die Frage nach der Gesellschaftlichkeit der Wissenschaften stellt.
Die Salzburger Bildungslabore werden über eigene MitarbeiterInnen sowie über Räumlichkeiten im Neubau der PH Salzburg (Akademiestraße) verfügen, die Eröffnung erfolgt im Herbst 2020. Einzelne Pilotprojekte werden bereits im Studien- bzw. Schuljahr 2019/20 anlaufen.

ExBox – Digital

Digitale Medien werden immer häufiger in die Unterrichtspraxis integriert und stellen eine Verknüpfung zwischen Schule und Lebenswelt dar. Das Potential für fachdidaktische Konzepte ist allerdings bei weitem nicht ausgeschöpft. Das Ziel des Projekts ist es, Unterrichtsmaterialien für den Chemie- und Physikunterricht zu entwerfen, welche individuell auf das schulische Leistungsniveau der Schüler:innen angepasst werden können. Anhand von adaptiven Lernhilfen in Form von Lernvideos und digitalen Experimentierboxen (EXBOX) sollen Schüler:innen beim Erwerb des chemischen und physikalischen Fachwissens sowie der Experimentierfähigkeit unterstützt werden. Die EXBOX bietet die Möglichkeit, dass Schüler:innen je nach Leistungsniveau auf Lernhilfen (adaptive Web-Based Trainings; Augmented Reality; Lernvideos mit Lernhilfen) zugreifen können. Schüler:innen können sich dadurch nach dem eigenen Lerntempo und Leistungsniveau mit dem Lerninhalt auseinandersetzen. Die Wirksamkeit der Materialien auf das Lernverhalten und die Leistung der Schüler:innen soll anhand empirischer Studien überprüft werden. Die Sicherstellung der gesetzten Ziele soll durch eine den Prozessverlauf begleitende Evaluation gewährleistet werden.

Interest research physics in school the Salzburg studies

Interest is an important predictor of the perceived importance of a school subject. Since it has been shown in the past that physics was one of the least popular subjects at school, it is important to ask students about their interests in order to be able to convey interesting content in a research-guided manner during teacher training.

Entwicklung von Alltagskontexten in der Chemie & Physik

Alltagstauglichkeit von erlerntem Wissen und die Möglichkeit Wissen im Alltag anwenden zu können ist sehr wichtig, damit das Erlernte nicht als „träges Wissen“ abgespeichert wird. Deshalb sollten Schülerinnen und Schüler lernen physikalische Erkenntnisse auf Erfahrungen und Fragen aus ihrem Leben anzuwenden. Es scheint möglich, so gut wie alle physikalischen Themengebiete mittels Alltagskontexten zu erschließen. Die Verknüpfung zwischen Alltagstauglichkeit, der Entwicklung eines naturwissenschaftlichen Weltbildes und der kritischen Hinterfragung von Erlebtem stehen hierbei im Vordergrund.
Des Weiteren wird die Forderung Physik „alltagstauglicher“ zu gestalten vieler Orts immer größer. Da Schülerinnen und Schüler einerseits Physik nicht interessiert und zusätzlich als nicht alltagsrelevant ansehen, müssen neue Konzepte erarbeitet werden, um die Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler in einen physikalischen Zusammenhang einzubetten.
Es werden und wurden folgende Inhalte erstellt:Chemie und Literatur

  • Physik und Literatur
  • Kontextorientierte Aufgaben in der Hochschule
  • Optische Täuschungen
  • Das Problem der Unsichtbarkeit
  • Kunst und Physik am Beispiel des Regenbogens
  • Physik im Film
  • Experimente mit der Wärmebildkamera
  • Physik in der Medizin

Schulbuchforschung

Einen starken Einfluss auf die Gestaltung des Unterrichts haben Schulbücher. Physikschulbücher bieten hier eine Grundlage für jeden Physikunterricht. Obwohl sie primär für die Schülerinnen und Schüler gedacht sind, werden sie intensiv von Lehrerinnen und Leheren zur Unterrichtvorbereitung und –durchführung verwendet. Hierbei werden vor allem zwei inhaltliche Dimensionen betrachtet. Die Qualität von Abbildungen und das Genderverhältnis bei Bildern und Texten.

Lernzyklen im Naturwissenschaftsunterricht 

Bei dem vorliegenden Projekt geht es um die wissenschaftliche Überprüfung der Effektivität und Effizienz des sogenannten Learning cycle (Lernzyklen) Unterrichtsansatzes in naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächern (Physik& Chemie) bei SchülerInnen im Alter zwischen 12 und 14 Jahren. Konkret soll überprüft werden, ob der Lernzyklenansatz (1) zu einer Verbesserung der ‚Science-Reasoning-Fähigkeit‘ (=wissenschaftliches problemlösen) von Schülerinnen beitragen kann, die als wesentliche Teilkompetenz der naturwissenschaftlichen Kompetenz verstanden wird. Hierzu werden die Science Reasoning Tasks von Shayer & Wylam (1980) eingesetzt. (2) zu einem verbesserten Verständnis der Natur der Naturwissenschaften und der naturwissenschaftlichen Methoden beiträgt. (3) zu einer Verbesserung von wünschenswerten emotional-motivationalen SchülerInnenmerkmalen, wie Selbstwirksamkeit, Interesse und Lernmotivation führt, welche ihrerseits wiederum einen positiven Einfluss auf das Unterrichtsverhalten und in der Folge auf die Leistung der Schülerinnen haben sollte (vgl. Helmke 2012). Zur Überprüfung dieser Fragestellungen werden Begleitfragebögen eingesetzt, welche überwiegend aus bewährten Messinstrumenten der empirischen Bildungsforschung bestehen. Diese Faktoren werden sowohl situativ, als auch im Sinne zeitüberdauernder Traits erhoben. Um die Fragestellungen dieser Studie zu beantworten, wird quasi-experimentelles Design mit Prä-Post-Messung gewählt (Zeitraum: 2 Schuljahre 2014/2015 & 2015/2016). (Ein Randomized Control Trial ist aus ethischen und schulorganisatorischen Gründen nicht möglich. An der Studie partizipieren sieben Lehrerinnen an NMS der Jahrgangsstufen 6 bis 8. aus sieben NMS (Neue Mittelsschule). Die Teilnahme der Schülerinnen und Lehrerinnen erfolgt freiwillig; die Durchführung der Studie ist mit dem Landesschulrat für Salzburg akkordiert und eine Genehmigung liegt vor. Um die Treatmentvalidität abzusichern wurden im Vorfeld der Studie zwei Workshops zum Thema ‚Learning Cycles‘ durchgeführt; darüberhinaus wird der Unterricht durch entsprechende Fortbildungsveranstaltungen vom Forscherteam begleitet. Außerdem wird die Treatmentvalidität formativ evaluiert indem während der Untersuchung laufend entsprechende Kurzfragebögen eingesetzt werden.

Verständnis und Anwendung von Formeln im Physikunterricht und –studium

Die Darstellung und Rezeption von physikalischen Formeln in Studium und Schule ist bisher, so gut wie völlig unerforscht, deshalb stellt es ein interessantes und fruchtbares Forschungsgebiet dar. Die folgenden Forschungsfragen sollen illustrieren, wie sich dem Gebiet genähert werden kann:

  • Gibt es einen Zusammenhang zwischen dem hohen Mathematisierungsgrad und dem Desinteresse an Physik?
  • Wie werden Formeln bei Studierenden, Schülerinnen und Schülern genutzt?
  • Helfen Formeln beim Verständnis von Physik oder sind sie nur Hilfsmittel zum Lösen von Aufgaben?
  • Welche Hilfen kann man beim Lernen von Formeln geben?
  • Gibt es einen Weg das selbstständige Konzipieren von Formeln, zu erlernen?
  • Existieren bevorzugte Darstellungsweisen von Formeln?
  • Wann und wieso wirken Formeln abschreckend?
  • Wie häufig werden Formeln im Schulunterricht genutzt?
  • Wie hoch ist die Formeldichte in Schul- und Physikbüchern?
  • Was haben Lehrerinnen und Lehrer für ein Verhältnis zur Mathematisierung in der Physik?
  • Besteht die Möglichkeit die wichtige Kompetenz – Verständnis und Anwendung von Formeln – zu ergründen und das Lehren und Lernen zu verbessern?

Verwendung von Experimenten im Sachunterricht

Über Fragebögen wird das Verständnis von Wissenschaft und Experiment bei SachunterrichtslehrerInnen analysiert. Die Verwendung von Experimenten im Unterricht wird ebenfalls anhand eines Fragebogens erforscht.

Natur der Naturwissenschaften

Die einfache Darstellung der Natur der Naturwissenschaften gestaltet sich schwierig, da hier nicht nur eine Sichtweise vertreten wird, sondern, wie bei jeder Sicht auf die Welt, unterschiedliche Denkweisen berücksichtigt und erläutert werden müssen. Es erscheint wichtig, dass sich angehende (Naturwissenschafts-)Lehrer mit diesem Thema beschäftigen, damit ihnen einerseits der (meta)theoretische Inhalt der Physik deutlicher wird und sie andererseits auf Forderungen des Kerncurriculums reagieren können, nämlich: Die Natur der Naturwissenschaft im Unterricht zu vermitteln. Es wird versucht eine Übersicht zu schaffen, die sowohl verständlich ist, als auch die Komplexität des Themas Natur der Naturwissenschaft nicht untergräbt und zu stark reduziert.

Mediale Moderne

Die Mediale Moderne als neues Zeitalter zeigt eine sehr starke Veränderung des Denkens, der Kunst und der Kultur auf. Deshalb scheint es ratsam, den Übergang von der Postmoderne in die Mediale Moderne, auch aus der Sicht der Naturwissenschaften, zu ergründen.

Untersuchung von Metallen und Polymeren mittels mechanischer Spektroskopie

Die Untersuchung der Inneren Reibung (Vibrating-Reed) stellt eine einfache und interessante Möglichkeit dar, atomare Prozesse zu analysieren. Hierbei ist es möglich thermisch-aktivierte Prozesse von thermisch-nicht-aktivierten Prozessen zu unterscheiden. Aktivierungsenergien können bestimmt und Aussagen über Ermüdungserscheinungen getroffen werden.
Es wurden viele Arten von Eisen-Aluminium Legierungen mit unterschiedlichsten Konzentrationen untersucht, so wie dünne Schichten aus PPV (ein Polymer, welches bei der OLED-Herstellung verwendet wird).