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