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Experimentieren in der Oberstufe Anregungen aus dem Praktikum
Dr. Clemens Nagel
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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
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Inhalt 1. eLearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt
a. Ein konventionelles Physikpraktikum als Blended -Learning Konzept
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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
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Inhalt 1. eLearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt
b. Beispiel: Wärmeleitung mit der Wärmebildkamera
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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
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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
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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
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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
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Inhalt 1. eLearning im Anfängerpraktikum für Bachelor und Lehramt
c. Evaluation und Ergebnisse
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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
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Inhalt
2. Physik für Meteorologie a. Ein adressatenspezifisches konventionelles Physikpraktikum
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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
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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/
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Inhalt
2. Physik für Meteorologie
b. Beispiele: Solarzellen & Akku
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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)
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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
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Beispielexperiment: Solarzelle, Akku, autarke Energieversorgung Ergebnisse:
voll beleuchtet
bewölkt (diffus) beleuchtet
teilbeschattet
Iext (A) Iext (A)
UL (V) UL (V)
A)
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Beispielexperiment: Solarzelle, Akku, autarke Energieversorgung Ergebnisse:
Iext (A)
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Inhalt
2. Physik für Meteorologie
c. Evaluation und Ergebnisse
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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)
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Evaluation und Ergebnisse
Haller, 2011
Haller, 2011
Vergleichbarkeit von Kontroll- und Treatmentgruppe
Vergleich von Kontroll- und Treatmentgruppe
nach den jeweiligen Praktika
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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
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Inhalt
3. Physik für Ernährungswissenschaften a. Ein adressatenspezifisches konstruktivistisches Physikpraktikum
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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…
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Bedeutungskonstruktion in der konstruktivistischen Lerntheorie
Gedächtnis
Wahrnehmung
Erwartung
Handlung
Umwelt
Wahrnehmung
Handlung
Umwelt Erwartung Gedächtnis
Aktivität eines kognitiven Systems Welzel 1995, 25.
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Viabilität von Bedeutungskonstruktionen
W0 W1 W2
E0 E1 E2
H0 H1 Spiralförmige Folge modifizierter Wahrnehmungen nach Neumann 2004, 20.
Diskrepanz
Veränderung
Konvergierend
situativ
individuell
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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
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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
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Inhalt
3. Physik für Ernährungswissenschaften
b. Beispiel: Spektroskopie (Lebensmittelfarbstoffe)
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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
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Inhalt
3. Physik für Ernährungswissenschaften
c. Online-Praktikumseinheiten Bioimpedanzanalyse, Kalorimetrie
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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
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Inhalt
3. Physik für Ernährungswissenschaften
d. Evaluation und Ergebnisse
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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
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Evaluation und Ergebnisse
Nagel, 2011
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Evaluation und Ergebnisse
Wolny, 2011
![Page 38: Experimentieren in der Oberstufe - univie.ac.at · von Licht Strahlungsgesetze, Reflexion, Absorption, Transmission, Emission (f. Kalibration) ... Eigenschaften von Flüssigkeiten](https://reader034.vdokument.com/reader034/viewer/2022051602/5b9feeed09d3f242318bd8d7/html5/thumbnails/38.jpg)
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
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HINWEIS 1: Morgen Di., Seminar im AnfPra:
noch 5 weitere Plätze! Im Anschluss persönlich bei mir
nachmelden.
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HINWEIS 2: physics:lab im Sommersemester
uni:orientiert am 12./13.April
DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT