Transcript Ein operationaler Zugang zur Physikdidaktik Franz Embacher Fakultät für Physik, Universität Wien Bewerbungsvortrag, 12.

Ein operationaler Zugang zur
Physikdidaktik
Franz Embacher
Fakultät für Physik, Universität Wien
Bewerbungsvortrag, 12. 10. 2009
Ein operationaler Zugang...
Aneignen physikalischer Konzepte und erwerben
physikalischen Wissens durch selbständiges
Operieren.
• Experimente selbst durchführen,
• Experiment zur Überprüfung einer Vermutung entwerfen
und durchführen,
• bekannte Konzepte auf neue Situationen anwenden,
• auf der Basis eines Modells das Verhalten eines
physikalischen Systems erklären („Vorhersagen treffen“)
• die Parameter eines Modells variieren,
• Experimente zur Überprüfung einer Vermutung zu entwerfen
und durchzuführen,...
 Raum für die Konfrontation der Lernenden mit ihren eigenen
mitgebrachten Konzepten (den „Schülervorstellungen“)
Ein operationaler Zugang...
 Experiment: „Schülerversuche“
 Theorie: Operieren mit Konzepten und Modellen
 Physikunterricht
 Lehramtsausbildung
 LehrerInnen-Weiterbildung
 Sachlogik (Aufbau des Stoffs)
 Unterrichtsmethode (Lernkultur)
Inhalt
• Themen der modernen Physik
• Das Transferproblem Mathematik  Physik
• Probleme der Lehramtsausbildung Physik
• Weitere Forschungs- und Entwicklungsfelder
Themen der modernen Physik
Paul Shabajee and Keith Postlethwaite:
What happened to modern physics?
Relativity, Quantum Mechanics and Chaos theory are three of the
most significant scientific advances of the 20th Century – each
fundamentally changing our understanding of the physical universe.
...the UK National Curriculum in science almost entirely ignores them.
School Science Review 81, 297 (2000)
http://arxiv.org/abs/physics/0401016
Themen der modernen Physik
„Traditionelle“ Physikthemen Physik des 20./21. Jahrhunderts
Klassische Mechanik
Bewegung, Newton 2
Energie/Impuls, Erhaltung
Thermodynamik
T, p, V, U
Geometrische Optik
Linsenkonstruktionen
Quantenphysik
Zustandsbegriff, Messung,
Schrödingergleichung
Allgemeine Relativitätstheorie
Gekrümmte Raumzeit
„Physics of Star Trek“
Zeitreisen, Wurmlöcher,...
Elektrodynamik (Feldbegriff)
Gaskinetik (statistische Argumentation)
Spezielle Relativitätstheorie
Kosmologie
Themen der modernen Physik
Ein operationaler Zugang zu Themen der modernen Physik
(in Unterstufe AHS und Oberstufe AHS/BHS) erfordert:
• altersadäquate „Elementarisierung“ von Konzepten und
Modellen (nicht nur von Phänomenen!)
• altersadäquaten Kontextbezug, geeignete U-Methode,...
Neuere Ansätze
• erforschen Schülervorstellungen
• entwerfen die Sachlogik neu  Unterrichtskonzepte
• betonen und fördern das Denken in Modellen
• benutzen elektronische Visualisierungs-, Interaktions- und
Modellierungstechniken
• beziehen z.T. die Lernkultur mit ein (eigenverantwortliches
und offenes Lernen, Lernen durch Lehren,...)
• untersuchen die Wirksamkeit der Unterrichtskonzepte
Themen der modernen Physik: Quantenphysik
Beispiel: Quantenphysik
• Neue sachlogische Ansätze, u.a.:
• Elementarisierung des üblichen Formalismus
(Brachner und Fichtner)
• Zeigerformalismus (Bader, Küblbeck, Erb/Schön)
• Qualitativer Zugang (Rainer Müller, Hartmut Wiesner)
• Doppelspaltexperiment, Quanteninformation
• Unterrichtskonzepte
(Bremer, Berliner, Münchener,...)
• Untersuchungen von Schülervorstellungen:
• Thomas Bethge (1988, 1992)
• Hartmut Wiesner et al (1889, 1886)
• Michael Lichtfeldt und Helmut Fischler (1992)
Themen der modernen Physik: Forschungsfragen
Forschungsrelevante Fragestellungen:
• Evaluation konkreter sachlogischer Entwicklungen:
• Elizur-Vaidmann-Bombenexperiment als Einstieg in die
Quantenphysik
• Quanten-Gickse
• Durch welche Elemente in der Sachstruktur wird das
Denken in Modellen (das systemische Denken) unterstützt?
Welche Inhalte und Formen eigenständigen Operierens
eignen sich dazu?
• Welchen Einfluss haben Unterrichtsmethode und
Lernkultur?
• Welche Inhalte und Formen eigenständigen Operierens
fördern das Erfassen des Vorhersage- und Erklärungspotentials der modernen Physik? Welche fördern das
Übersichtsswissen?
Das Transferproblem
Atome
Das Transferproblem Mathematik  Physik
Mathematikunterricht
ax2
= bc
2
Löse die Gleichung
nach x!
Physikunterricht
mv2
= eU
2
Berechne die
Geschwindigkeit v!
Typische Problemfelder:
• Visualisierungen (Graphen) interpretieren
• Visualisierungen (Graphen) anfertigen
• Terme („Formeln“) interpretieren
• Terme in einfach(st)er Weise umformen
• Einfach(st)e Gleichungen lösen
• Winkelfunktionen
Das Transferproblem Mathematik  Physik
Andererseits...
• ...findet eine Umorientierung des Mathematikunterrichts statt...,
• Kompetenzen (verstehend operieren, interpretieren und
argumentieren, beurteilen)
• Einsatz elektronischer Werkzeuge (dynamische
Geometrie, Computeralgebra, Tabellenkalkulation,...)
Österreich = Weltspitze!
• ...die die Physikdidaktik berücksichtigen sollte!
• Erste Untersuchungsergebnisse: Technologiegestützter
Mathematikunterricht führt zu besseren signifikant
verbesserten Ergebnissen beim Darstellen, Interpretieren und
Argumentieren in Standardtests der Sekundarstufe 2!
Helmut Heugl, Sustainability of mathematics education by using technology, in:
Proceedings of the TIME 2008 conference (Technology and its Integration into
Mathematics Education), ISBN 978-3-901769-82-5.
Transferproblem: Forschungsfragen
Forschungsrelevante Fragestellungen:
• Wird der Transfer M Ph durch die Nutzung der gleichen
(oder ähnlicher) elektronischer Werkzeuge in beiden
Fächern erleichtert?
• Welche Inhalte und Formen eigenständigen Operierens,
welche Einsatzformen elektronischer Werkzeuge (im
Physikunterricht + im Mathematikunterricht) erleichtern den
Transfer elementaren Wissen M  Ph?
• Welchen Einfluss haben Unterrichtsmethode und
Lernkultur?
Probleme der Lehramtsausbildung Physik
Probleme der Lehramtsausbildung Physik
Schülervorstellungen sind (manchmal) Lehrervorstellungen
FG
FZ
a
F = ma
F
Wo und wie sollten Lehramtsstudierende schülerInnengerechte
und sachlogisch sinnvolle Zugänge lernen?
Fachausbildung  verweist auf Fachdidaktik
Fachdidaktik  verweist auf Fachausbildung
u. a. durch eigenständiges
Operieren!
(Elementarisierungen
vornehmen und
durchdenken,...)
Probleme der Lehramtsausbildung Physik
Zwei weitere (schulrelevante) Beispiele:
• Newton 2
„Wieso war das zweite Newtonsche Axiom 200 Jahre lang
das Fundament der Physik? Ist es eine Definition oder eine
Behauptung? Hat es einen Vorhersagewert, und wenn dann
welchen?“
F
a=
F = ma
m
• Feldbegriff
Gravitationsfeld (Newton)
elektromagnetisches Feld
a
F
a=
F
m
kann als reine Rechengröße
aufgefasst werden
hat Energie
(und Impuls)!
Probleme der Lehramtsausbildung Physik
• Konzeptverständnis der Studierenden  erste Tests
• Gründe für Studienabbrüche im Bereich des Lehramts
• „Schulwissen“ vs. „Hochschulwissen“
• Um wieviel mehr müssen LehrerInnen wissen als ihre
SchülerInnen? („Wieviel Lagrange und Hamilton?“,
wieviel Quantenoptik, wieviel Superstrings?)
• Akzeptanz durch die Studierenden
• Sprechen über Physik – welche (methodisch-didaktischen)
Faktoren erleichtern/erschweren die verbale Artikulation?
 hochschuldidaktisches, auf die zukünftige Entwicklung
der Lehramtsausbildung und auf den Physikunterricht
gerichtetes Forschungsfeld
Probleme der Lehramtsausbildung Physik
• Trennung Fachausbildung – fachdidaktische Ausbildung
Alternativen? Würde eine weitergehende Durchdringung
dieser beiden „Säulen“ des Lehramts-Studiums die Probleme
abmildern?
• Sowohl Elementarisierungen als auch
div E = r
typische Fehlvorstellungen gleichzeitig
mit den fachlichen Inhalten kennen lernen?
• Soll/kann das nötige „Überblickswissen“ im Rahmen der
Fachausbildung auch in elementarisierter Form erlangt
werden?
• Bologna-Architektur des Lehramts-Studiums: auch als Chance
begreifen?
 langfristige Begleitforschung zur Wirksamkeit universitärer
LA-Curricula [Studienerfolg, Wirksamkeit des Unterrichts!]
Weitere Forschungs- und Entwicklungsfelder
Gender 1
Gender 2
Weitere Forschungs- und Entwicklungsfelder
• Gender
• Mehrdeutigkeiten in physikalischen Interpretationen
• Computereinsatz und eLearning (nicht ob, sondern wie)
• Fachdidaktische Aspekte der Leistungsbewertung und
Leistungsbeurteilung
• Begleitforschung zur Entwicklung und Pflege von
Bildungsstandards
• Regelmäßige Identifizierung „physikrelevanter“ und
motivierender Themen („lebensweltlicher“ Kontextbezug)
• Fächerübergreifender Unterricht
• Begleitforschung zu Brückenkurs-Aktivitäten
• Einbeziehung von Lehrkräften
• Wer soll das alles machen?
Danke...
... für Ihre Aufmerksamkeit!
Diese Präsentation finden Sie im Web unter
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/PhysikDidaktik/Vortrag12.10.2009.pps