Physikdidaktikforschung

Physikdidaktikforschung ( PDR ) ist eine Form der fachdidaktischen Forschung, die sich speziell mit dem Lehren und Lernen von Physik befasst , häufig mit dem Ziel, die Effektivität des Lernens zu verbessern. PDR greift auf andere Disziplinen wie Soziologie , Kognitionswissenschaft , Erziehungswissenschaft und Linguistik zurück ^{[ 1 ]} und ergänzt diese, indem sie das disziplinäre Wissen und die Praktiken der Physik einbezieht ^{[ 2 ]} . Ungefähr 85 Institutionen in den Vereinigten Staaten betreiben Forschung im Bereich der naturwissenschaftlichen und physikdidaktischen Forschung.

Ein Hauptziel von PER ist die Entwicklung pädagogischer Techniken und Strategien, die Studierenden helfen, Physik effektiver zu lernen und Lehrenden bei deren Anwendung unterstützen. Da selbst grundlegende physikalische Konzepte verwirrend sein können und durch Analogien im Unterricht wissenschaftliche Fehlvorstellungen entstehen können, lassen sich gängige Fehlvorstellungen über Physik, die Studierende bereits vor dem Physikunterricht erworben haben, durch Vorlesungen oft nicht ausräumen. Die Forschung konzentriert sich daher häufig darauf, mehr über diese Fehlvorstellungen zu erfahren, um Techniken zu entwickeln, die Studierenden helfen, diese zu überwinden.

In den meisten Einführungskursen in die Physik ist die Mechanik üblicherweise der erste behandelte Bereich. Newtons Bewegungsgesetze, die die Wechselwirkungen zwischen Kräften und Objekten beschreiben, sind zentral für das Studium der Mechanik. Viele Studierende unterliegen dem aristotelischen Irrglauben , dass eine resultierende Kraft erforderlich sei, damit sich ein Körper bewegt. Tatsächlich wird Bewegung in der modernen Physik mit Newtons erstem Trägheitsgesetz modelliert , das besagt, dass ein Körper seinen Zustand der Ruhe oder Bewegung beibehält, solange keine resultierende Kraft auf ihn einwirkt. Wie Studierende , die diesem Irrglauben unterliegen, gelangte auch Newton durch empirische Analysen zu seinen drei Bewegungsgesetzen, allerdings unter Einbeziehung umfangreicher Daten, darunter astronomische Beobachtungen. Studierende können einen solchen Irrglauben in einer nahezu reibungsfreien Umgebung ausräumen, wo sie feststellen, dass sich Objekte ohne konstante Kraft mit nahezu konstanter Geschwindigkeit bewegen.

Das übergeordnete Ziel der PER-Community ist es, die Prozesse beim Lehren und Lernen der Physik durch strenge wissenschaftliche Untersuchungen zu verstehen.

Laut der PER-Gruppe der University of Washington, einer der Pioniergruppen auf diesem Gebiet ^{[ 3 ],} lässt sich die Arbeit im Bereich PER tendenziell einer oder mehreren der folgenden Kategorien zuordnen:

• Schwierigkeiten der Schüler identifizieren
• Methoden entwickeln, um diese Schwierigkeiten zu bewältigen und Lernfortschritte zu messen
• Entwicklung von Umfragen zur Messung der Schülerleistungen und anderer Merkmale
• Untersuchung der Einstellungen und Überzeugungen von Schülern in Bezug auf die Physik
• Untersuchung der Dynamik kleiner und großer Gruppen, Analyse von Verhaltensmustern der Studierenden mithilfe von Framing-Methoden und anderen neuen und bestehenden erkenntnistheoretischen Methoden ^{[ 4 ].}

In „An Introduction to Physics Education Research“ von Robert Beichner ^{[ 5 ]} werden acht Trends in der Physikdidaktik identifiziert:

• Konzeptuelles Verständnis: Die Untersuchung des Wissensstands von Studierenden und ihrer Lernprozesse ist ein zentraler Bestandteil der Physikforschung. Frühe Forschungsarbeiten befassten sich mit der Identifizierung und Behandlung von Fehlvorstellungen über physikalische Prinzipien. Der Begriff hat sich seither zu „Lernschwierigkeiten“ weiterentwickelt, basierend auf der Berücksichtigung alternativer theoretischer Rahmen für das studentische Lernen. Eine Schwierigkeit mit einem Konzept kann in ein korrektes Konzept integriert werden; eine Fehlvorstellung wird beseitigt und durch eine korrekte ersetzt. Die Physikforschungsgruppe an der University of Washington ist auf die Erforschung des konzeptuellen Verständnisses und der Lernschwierigkeiten von Studierenden spezialisiert. ^{[ 6 ]}
• Erkenntnistheorie : Physikalisches Lernen (PER) begann als Versuch-und-Irrtum-Ansatz zur Verbesserung des Lernens. Aufgrund der Nachteile eines solchen Ansatzes wurden frühzeitig theoretische Grundlagen für die Forschung entwickelt, insbesondere an der University of Maryland . Die theoretischen Grundlagen von PER basieren größtenteils auf Piagets Konstruktivismus . Theorien zur Kognition im Physiklernen wurden von Redish, Hammer, Elby und Scherr ^{[ 7 ]} entwickelt, die auf diSessas „Knowledge in Pieces“ aufbauten. Das daraus entstandene Ressourcen-Framework ^{[ 8 ]} stützt sich auf Forschungsergebnisse aus Neurowissenschaften, Soziologie, Linguistik, Pädagogik und Psychologie. Weitere Frameworks sind in Vorbereitung, zuletzt das „Possibilities Framework“ ^{[ 9 ]} , das auf der Forschung zum deduktiven Denken von Wason und Philip Johnson-Laird aufbaut .
• Problemlösung: Sie spielt eine wichtige Rolle in den Prozessen, die die physikalische Forschung voranbringen, und ist Gegenstand zahlreicher Übungen in gängigen Lehrbüchern. Die meisten Forschungsarbeiten in diesem Bereich untersuchen die Unterschiede zwischen Anfängern und Experten in der Problemlösung (Studierende im ersten und zweiten Studienjahr bzw. Doktoranden und Postdoktoranden). Ansätze zur Erforschung der Problemlösung sind ein Schwerpunkt der Forschungsgruppe für Physikalische Physik (PER) an der Universität von Minnesota . Kürzlich wurde in der Sonderausgabe „PER“ der Fachzeitschrift PRL ein Artikel veröffentlicht, der über 30 Verhaltensweisen, Einstellungen und Fähigkeiten identifiziert, die bei der Lösung typischer Physikprobleme Anwendung finden. Im Bereich der Problemlösung werden höhere Auflösung und besondere Aufmerksamkeit für Details benötigt.
• Einstellungen: Die University of Colorado entwickelte ein Instrument, das die Einstellungen und Erwartungen von Studierenden gegenüber Physik als Fach und als Unterrichtsfach erfasst. Häufig verschlechtert sich die Einstellung der Studierenden nach traditionellem Unterricht, doch neuere Arbeiten von Redish und Hammer zeigen, dass dieser Prozess umgekehrt werden kann und positive Einstellungsverbesserungen erzielt werden können, wenn man darauf achtet, „die epistemologischen Elemente des impliziten Curriculums zu erläutern“. ^{[ 10 ]}
• Soziale Aspekte: Es wurden Untersuchungen zu Geschlecht, ethnischer Zugehörigkeit und anderen sozioökonomischen Faktoren durchgeführt, die das Lernen in der Physik und anderen Fächern beeinflussen können. Weitere Studien untersuchten die Auswirkungen von Körpersprache, Gruppendynamik und Unterrichtsgestaltung auf das Physiklernen.
• Technologie: Die Schüler-Feedbacksysteme (Clicker) basieren auf Eric Mazurs Arbeit zur Peer Instruction. Die Forschung im Bereich Peer Instruction untersucht den Einfluss, die Anwendungen und die Möglichkeiten von Technologie im Unterricht.
• Unterrichtsmethoden: Das Curriculum von PER basiert auf über zwei Jahrzehnten Forschung im Bereich der Physikdidaktik. Zu den namhaften Lehrbüchern zählen „ Tutorials in Physics“ , „Physics by Inquiry“ , „Investigative Science Learning Environment “ und „ Paradigms in Physics“ sowie zahlreiche neue Lehrbücher für Einführungskurse und Kurse für fortgeschrittene Studierende. Die Forschungsgruppe für Physikdidaktik der Kansas State University hat das Programm „Visual Quantum Mechanics“ (VQM) entwickelt, um Schülerinnen und Schülern sowie Studierenden ohne fortgeschrittene Vorkenntnisse in Physik oder Mathematik die Quantenmechanik näherzubringen.
• Lehrmaterialien: Verlage betonen heute bei ihren Physiklehrbüchern für Studierende die Bedeutung der PER-Grundlage als wichtiges Verkaufsargument. Eines der ersten umfassenden Physiklehrbücher, das PER-Ergebnisse einbezog, wurde von Serway und Beichner verfasst. Neben Lehrbüchern umfassen die Lehrmaterialien für Physikschüler an weiterführenden Schulen mittlerweile auch PhET-Simulationen (Physics Education Technology). Dies wird durch Fortschritte bei der PC-Hardware, plattformunabhängiger Software wie Adobe Flash Player und Java sowie in jüngerer Zeit HTML5 ^{[ 11 ]} , CSS3 und JavaScript ^{[ 12 ]} ermöglicht . Laut Wieman ^{[ 13 ]} bieten PhET-Simulationen ein direktes und leistungsstarkes Werkzeug, um das Denken und Lernen von Schülern zu untersuchen.

Forschungsarbeiten zur Physikdidaktik in den Vereinigten Staaten werden hauptsächlich in vier Publikationsorganen veröffentlicht. ^{[ 14 ]} Beiträge, die beim American Journal of Physics : Physics Education Research Section (PERS) eingereicht werden , richten sich vorwiegend an Anwender physikdidaktischer Forschung. Das Journal of the Learning Sciences (JLS) publiziert Arbeiten, die sich mit realen oder nicht-laborbasierten Umgebungen befassen, oft im Kontext von Technologie, und die das Lernen, nicht das Lehren, in den Mittelpunkt stellen. Beiträge in Physical Review Special Topics: Physics Education Research (PRST:PER) hingegen richten sich an Forschende im Bereich der Physikdidaktik und nicht an Anwender. Die Konferenzbeiträge der Physics Education Research Conference (PERC) sprechen sowohl Anwender als auch Forschende an. Letztere erhalten einen Überblick über das Forschungsfeld und sind daher offen für vorläufige Ergebnisse und laufende Forschungsprojekte sowie für Beiträge, die die Fachgemeinschaft der Physikdidaktik zum Nachdenken anregen. Weitere Zeitschriften sind Physics Education (UK), das European Journal of Physics (UK) und The Physics Teacher . Leon Hsu und andere veröffentlichten im Jahr 2007 einen Artikel über das Publizieren und Begutachten von wissenschaftlichen Arbeiten in der Physikdidaktik. ^{[ 14 ]}

• Quantenmechanik lehren