Quickphysik

Lehre und Studium

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Aktuelle Lehre im SoSe23

• Elemente der Physik II
• Begleitseminar zum Praxissemester
• Fachdidaktische Vertiefung

Masterarbeiten

• Soziokulturelle Faktoren der Wissensgenese: Eine Untersuchung der Ausschließungsmechanismen von Frauen im Wissenschaftsbetrieb des 19. Jahrhunderts am Beispiel von Sophie Germain (laufend)

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• Vom einfachen Schaltkreis zu den Grundschaltungen des Computers – Konzeption einer Unterrichtsidee für die Sekundarstufe 1 unter Verwendung des Breadboards (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: In der Fachdidaktik wird immer wieder die Forderung erhoben, moderne Themen der Physik in den Physikunterricht zu integrieren. Während Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II zumindest Einblicke in Themen wie Quanten- und Teilchenphysik erhalten, bleiben andere Gebiete wie die Festkörperphysik im Physikunterricht weitgehend unberücksichtigt. Wichtige Konzepte und Entwicklungen wie der Transistor, der unsere technische Umwelt maßgeblich beeinflusst hat, bleiben den Schülerinnen und Schülern daher unbekannt. In dieser Arbeit wird eine Unterrichtsidee entwickelt und erprobt, bei der Schülerinnen und Schüler bereits in der Sekundarstufe I ein grundlegendes Verständnis einzelner Inhalte der Festkörperphysik entwickeln können. Das Ziel war die Einführung wesentlicher Bauteile und Konzepte der Festkörperphysik, wie Transistoren oder pn-Übergänge, im Kontext von "Computerschaltungen" und in Bezug auf die kanonischen Inhalte der Elektrizitätslehre. Um den Schülerinnen und Schülern einen systematisch-experimentellen Zugang zu diesen Themen zu ermöglichen, wurden die Inhalte mithilfe eines Breadboards erarbeitet. Das Breadboard ist eine Steckplatine, die eine variable Realisierung von Schaltungen ermöglicht.

• Sprachsensibel Physik unterrichten - Entwicklung und Gestaltung von Unterrichtsmaterial für den Optikunterricht zur Förderung der Bildungs- und Fachsprache (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Der inklusive Physikunterricht stellt Lehrerinnen und Schüler vor besondere Herausforderungen aufgrund des hohen Abstraktionsgrads, des Umgangs mit Modellen und der theoretischen Interpretation von Messergebnissen. Für Schülerinnen und Schüler mit inklusiven Förderschwerpunkten kann die Teilnahme am Physikunterricht daher besonders erschwert sein. Die Verwendung von Fach- und Bildungssprache spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle. Eine angemessene Berücksichtigung der Fachsprache und Sprache im Allgemeinen sollte sich auch in den Unterrichtsmaterialien widerspiegeln. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Unterrichtsmaterialien für den Optikunterricht zum Thema Licht und Schatten, die speziell darauf ausgerichtet sind, die Bildungs- und Fachsprache im Physikunterricht zu fördern. Der zugehörige Unterricht wurde in einer 9ten Klasse mehrfach erprobt und das Material sukzessiv überarbeitet

Bachelorarbeiten

• Bionik- eine Erfolgsgeschichte? Eine kritische Analyse bionischer Entwicklungsgeschichte unter ausgewählten Aspekten der „Nature of Science“ am Beispiel des Eisbären und des Geckos (laufend)

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• Parallele Welt - Eine Experimentierbox zum Thema Spiegel in der Grundschule (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Im herkömmlichen Physikunterricht wird das Phänomen des Spiegels vorwiegend licht-mechanisch durch das Reflexionsgesetz untersucht, wobei Experimente eher als Überprüfungsmethode dienen. Diese methodische Vorgehensweise vernachlässigt jedoch das individuelle Wahrnehmungsvermögen der Schülerinnen und Schüler, die gerade im Sachunterricht von hoher Bedeutung ist. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Experimentierbox, die einen phänomenologischen Ansatz verfolgt und die Wahrnehmung in den Mittelpunkt stellt. Im Gegensatz zur üblichen theoriegeleiteten Arbeitsweise wird ein exploratives Vorgehen angewendet. Die Experimentierreihe besteht aus vier Bausteinen. Zuerst anknüpfend an die Erfahrung des Spiegels als Fenster in einen optischen Raum, der zu zum Konzept des Spiegelraums führt, werden erst im zweiten Schritt Beziehungen zur physikalischen Vorstellung des Spiegels durch Untersuchung der Beleuchtungsbedingungen geebnet. Anwendungsbeispiele wie das Periskop schlagen eine Brücke zwischen diesen Perspektiven. Der vorgeschlagene Experimentierweg ermöglicht ein explorierendes Lernen, das die Schülerinnen und Schüler zu unterschiedlichen Ergebnissen führen kann und ihre Wahrnehmung öffnet. Die Experimentierbox stellt alle Experimente vor, inklusive einer möglichen Reihenfolge, doku-mentiert sie und verdeutlicht Ziele und Ergebnisse.

• Wasser unter Spannung – Entwicklung eines explorativen Experimentiersets zum Thema „Oberflächenspannung“ für die Primarstufe (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Im Sachunterricht spielen Experimente als handlungsorientierte Erkenntnismethode eine entscheidende Rolle. Bei genauerer Analyse von Schulbüchern fällt auf, dass Experimente häufig deduktiv und hypothesengeleitet gestaltet sind. Neben diesem Ansatz bietet das explorative Experimentieren weitere Vorteile. Dabei ändern die Lernenden systematisch verschiedene Parameter, um die Bedingun-gen eines Phänomens zu untersuchen. Durch dieses Vorgehen entwickeln sie eigenständig passende Begriffe zur besseren Beschreibung des Phänomens. Diese Arbeit präsentiert beispielhaft ein exploratives Experimentierset zum Thema Oberflächenspannung für die 4. Klasse. Obwohl es viele modellhafte Erklärungen und Experimente zu diesem abstrakten Thema gibt, ist es durch exploratives Experimentie-ren gut zugänglich. Das entwickelte Experimentierset führt die Schülerinnen und Schüler von qualitativen zu quantitativen Erkenntnissen. Im Lehrplan NRW kann das Thema Oberflächenspannung dem Be-reich 'Natur und Umwelt' unter 'Stoffe, ihre Umwandlung und Stoffkreisläufe' zugeordnet werden. Die Arbeit behandelt zunächst fachwissenschaftliche und fachdidaktische Aspekte zur Oberflächenspannung. Anschließend werden Kriterien für die Entwicklung des Experimentiersets erarbeitet, gefolgt von der Erläuterung des Sets im dritten Kapitel mit fachlichen und didaktischen Anmerkungen.

• Lernen im Kontext - Eine Untersuchung ausgewählter Beispiele für kontextorientiertes Lernen im naturwissenschaftlichen Sachunterricht (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Lehrkräfte stehen vor der Herausforderung, ihre Schülerinnen und Schüler nachhaltig für den Unterricht und die Lerninhalte zu begeistern. Ein hohes Interesse und fortwährende Motivation der Schülerinnen und Schüler sind entscheidend für erfolgreiches Lernen in der Schule. Der naturwissen-schaftliche Unterricht bietet dabei vielfältige lebensnahe Bezüge zur Realität und zum Alltag, die jedoch in der Unterrichtspraxis oft ungenutzt bleiben. Diese Arbeit präsentiert das Lernen im Kontext als einen Lösungsansatz für verschiedene Probleme des traditionellen Unterrichts. Der Ansatz des Lernens im Kontext wird durch die Erläuterung des Kontextbegriffs, die Vor- und Nachteile, die Verzahnung mit der Fachsystematik sowie erste kontextorientierte Ansätze und Projekte vorgestellt. Ein Blick auf Lehrbü-cher zur naturwissenschaftlichen Fachdidaktik zeigt, dass das Lernen im Kontext in der Fachliteratur noch wenig verbreitet oder beachtet wird. Basierend auf Fachliteratur werden eigene Bedingungen für passende innere Kontexte entwickelt. Diese Kriterien werden daraufhin verwendet, um festzustellen, dass in klassischen Schulbüchern zwar innere Kontexte mit lebenspraktischen Bezügen vorhanden sind, diese jedoch nicht als inhaltliche Rahmung für die vertiefte Erarbeitung von Fachinhalten genutzt werden. Tatsächliches Lernen im Kontext wird daher in herkömmlichen Schulbüchern nicht umgesetzt, was weitere Entwicklungen und nachfolgende Arbeiten erforderlich macht.

• Experimente mit einem selbstgebauten Windkanal zur Sichtbarmachung von Luftströmungen (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit Experimenten in einem selbstgebauten Windkanal, die verschiedene Luftströmungen durch variierende Objekte visualisieren und den Lernenden einen anschließenden Vergleich ermöglichen. Der Fokus liegt auf einer aufschlussreichen Bildreihe und deren physikdidaktischer Aufarbeitung. Zu Beginn werden die physikalischen Grundlagen von Strömung und Strömungsmechanik eingeführt, um ein Verständnis für die zugrundeliegenden Prozesse zu schaffen. Der Aufbau und die Funktionsweise des Windkanals werden erläutert, wobei das Verdampfen des Gly-cerins an einem Konstantandraht die Sichtbarmachung von erzeugten Luftströmungen ermöglicht. Die entstandenen Luftströmungen werden im Rahmen weiterer Experimente auf Muster und Formen hin untersucht und verglichen. Ein zentrales Vermittlungsziel ist die Erkenntnis über Zusammenhänge zwi-schen Objektformen und den umgebenden Luftströmungen. Das systematische Experimentieren und Variieren mit verschiedenen Objekten und Formen ermöglicht die Beobachtung der Veränderungen in den Luftströmungen. Dies soll ein grundlegendes Verständnis für Luftströmungen schaffen und die Nut-zungsmöglichkeiten dieser Erkenntnisse aufzeigen. Dabei kann dies das Erkennen von Alltagsobjekten mit aerodynamischer Form oder das Verständnis für die Reduzierung des Luftwiderstands für natürliche Energieeffizienz beinhalten. Abschließend wird das didaktische Konzept für den Einsatz im Sachunter-richt der Grundschule und die Herausforderungen komplexer physikalischer Inhalte diskutiert. Die Ar-beit trägt dazu bei, die Möglichkeiten der aktiven und praktischen Auseinandersetzung der Lernenden mit naturwissenschaftlichen Phänomenen zu erweitern, Neugierde und Entdeckergeist zu fördern sowie Begeisterung und Interesse an naturwissenschaftlichen Themen zu wecken.

• Das bildungsinstitutionelle Frauenbild im Kaiserreich: Eine Untersuchung des Rollenbilds der Frau im 19. und 20. Jahrhundert am Beispiel von Elsa Neumann und Lise Meitner (abgeschlossen)

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• Lesen im Buch der Wolken - Entwicklung und Erprobung einer Unterrichtsreihe zum Thema Wolkenformationen (abgeschlossen)

  Zusammenfassung:Das Thema Wolken, im Sachunterricht oft am Rand behandelt und meist im Kontext des Wetters erwähnt, bietet vielfältige Chancen für eine umfassende, kompetenzorientierte Exploration im Un-terricht. Eine intensive Auseinandersetzung eröffnet Schüler:innen Einblicke in verschiedene Wolkenarten, Entstehung und ihre Rolle bei Wetterphänomenen. Es ermöglicht zudem die Erkundung grundlegender Naturwissenschaftskonzepte wie Beobachtung, Kategorisierung und Beschreibung von Phänomenen. Beschäftigung mit Wolken schärft die Beobachtungsgabe und weckt Neugier – Schlüsselqualitäten im Sachunterricht. Das Ziel der Bachelorarbeit liegt darin, eine fünfstündige Unterrichtseinheit zum Thema "Wolken" zu konzipieren und in einer zweiten Klasse durchzuführen. Die Schwerpunkte der Unterrichtssequenz sind die Ermittlung der bestehenden Vorstellungen der Schüler:innen über Wolken, die Erkundung verschiedener Arten von Wolkenformationen sowie die Förderung ihrer Beobachtungsfähigkeiten. Dies wurde erreicht, indem die Schüler:innen über einen Zeitraum von zwei Wochen Wolkenformationen identifizierten und in einem "Wolkentagebuch" skizzierten und dokumentierten. Die Unterrichtseinheit wurde durch ein Experiment zur Wolkenbildung sowie die Erarbeitung von Informationsmaterialien abgeschlossen.

• Der Lotuseffekt - Entwicklung einer Experimentierbox zur Erkundung selbstreinigender Oberflächen in der Grundschule (laufend)

  Zusammenfassung: Die Bionik, eine Wissenschaft, die die Natur als Vorbild für die Herstellung technischer Gegenstände nutzt, bietet viele Lernanlässe im Sachunterricht. Ein bekanntes Beispiel ist der Lotuseffekt, bei dem die Blattoberfläche der Lotuspflanze Wasser und Schmutz abperlen lässt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung einer Experimentierbox für die Grundschule, die sich mit dem Lotuseffekt beschäftigt. Die Experimente sollen die Schülerinnen und Schüler schrittweise mit den Faktoren vertraut machen, die für die selbstreinigende Eigenschaft von Oberflächen verantwortlich sind.

• Entwicklung eines Experimentiersets zur Untersuchung des einfachen Stromkreises in der Grundschule (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: In dieser Bachelorarbeit steht die Entwicklung eines Experimentiersets zur Untersuchung des einfachen Stromkreises in der Grundschule im Fokus. Kinder kommen früh mit der Anwendung von Strom in Berührung, und das Verständnis für den Stromkreis hat einen unmittelbaren Bezug zu ihrem Alltag, wie im Lehrplan für den Primarbereich festgelegt ist. Experimente bieten sich als effektives Mittel an, um Schülerinnen und Schüler mit der Funktionsweise von Stromkreisen vertraut zu machen, und das Experimentierset ermöglicht ihnen, die Experimente eigenständig durchzuführen. Die Zusammenstellung des Sets berücksichtigt verschiedene Experimente zum Themenkomplex "Stromkreise", wobei die drei elementaren Bausteine - Batterie, geschlossene Verbindung und "Verbraucher" - variiert und alternative Ansätze vorgestellt werden. Der gewählte explorative Ansatz betont die Selbstständigkeit der Schülerinnen und Schüler bei der Interaktion mit den Experimenten, wobei der Fokus auf dem eigenständigen Experimentieren und Entdecken liegt. Abschließend wird eine mögliche Integration der Experimente in eine Unterrichtsreihe vorgeschlagen, wobei die als optimal erachtete Reihenfolge berücksichtigt wird.

• Schwimmen, Schweben, Sinken - Entwicklung von Experimentiermaterial zum Thema Auftrieb in der Grundschule (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Die Alltagserfahrung des "Auftriebs" ist leicht beobachtbar, jedoch sind die Schülerinnen und Schüler oft mit falschen Vorstellungen konfrontiert, etwa der Annahme, dass etwas untergeht, weil es zu schwer ist. Um das Konzept der Dichte adressatengerecht zu vermitteln, wird in der Arbeit eine Experimentierreihe zum Auftrieb entwickelt. Dabei werden Experimente dokumentiert, vorgestellt und didaktisch begründet. Über fünf aufeinander aufbauende Experimentierbausteine werden die Schülerinnen und Schüler von der Erfahrung des Gewichtsverlusts unter Wasser über Vergleiche und Vermessungen bis hin zum Verständnis des archimedischen Prinzips geführt. Das Ziel besteht darin, Lehrkräften umfassend ausgearbeitetes Experimentiermaterial für die Unterrichtsvorbereitung zu b ieten, das den Auftrieb nachhaltig im Gedächtnis der Schülerinnen und Schüler verankert und ein erkenntnisreiches Unterrichtserlebnis ermöglicht.

• Mit der Stimmgabel die Welt der Klänge erkunden - Konzeption einer Unterrichtsreihe zur Akustik für die Primarstufe (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Das Ziel der vorliegenden Thesis bestand darin, eine Unterrichtssequenz für den Sachunterricht in der Grundschule zu entwickeln und zu erproben. Die Unterrichtssequenz hatte das Ziel, Schülerinnen und Schülern den Umgang mit Stimmgabeln zu vermitteln, sie in die Welt des Klangs einzuführen und ein grundlegendes Verständnis akustischer Schwingungsphänomene zu vermitteln. Zu diesem Zweck wurden Experimentierstationen und -materialien basierend auf einem bereits entwickelten Experimentierkoffer zur Stimmgabel entwickelt. Zusätzlich wurden Arbeitsmaterialien und -blätter für die Schülerinnen und Schüler erstellt. Nach der Durchführung der Unterrichtssequenz wurde eine milde Evaluation durchgeführt, um die Wirksamkeit und Eignung der entwickelten Materialien und Methoden zu überprüfen.

• Vom Schwerpunkt zum Hebelgesetz - Entwicklung eines neuen Experimentiersets für die Schule (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Experimentierkästen sind bedeutsame Hilfsmittel im Physikunterricht, da sie Schülerinnen und Schülern ein praktisches Erlebnis bieten und ihr Verständnis für physikalische Phänomene fördern. Ziel der vorliegenden Thesis war die Entwicklung und Dokumentation eines Experimentierkastens, der ein experimentelles Verständnis der Gleichgewichtsarten und des Hebelgesetzes ermöglicht, ausgehend vom Begriff des Schwerpunktes. Der entstandene Experimentierkasten ermöglicht verschiedene Versuche zum stabilen, labilen und indifferenten Gleichgewicht sowie deren Übergänge. Des Weiteren ermöglicht er die Vermessung des Hebelgesetzes.

• Der Regenbogen im Tropfen? Eine experimentelle Untersuchung der Bedingungen des Regenbogens am einzelnen Tropfen (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: In der vorliegenden Thesis wurde eine explorative Versuchsreihe entwickelt, um das Verständnis für die Entstehung des Regenbogens zu fördern. Dabei wurde ein früherer Vorschlag aufgegriffen, die optischen Bildbedingungen an einem einzelnen Tropfen nachzuvollziehen und auf den Regenbogen zu übertragen. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass viele optische Eigenschaften, die an einer großen transparenten Kugel (wassergefülltes Goldfischglas) gewonnen wurden, äquivalent zu den Eigenschaften des Regenbogens sind. Das Ziel der Thesis bestand darin, eine systematische Variation der Parameter vorzunehmen, um den Übergang von der einzelnen Tropfensphäre zum Naturphänomen des Regenbogens experimentell zu erfassen.

• Brechung vor Hebung? Eine explorative Untersuchung zur symmetrischen Behandlung von Hebung und Brechung (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: Das Thema Lichtbrechung ist ein wichtiger Bestandteil des Physikcurriculums. Die optische Hebung kann dabei als Motivation oder zur Veranschaulichung der Brechung von Licht im Rahmen der geometrischen Optik dienen. Allerdings wird oft auf die optische Hebung verzichtet, da sie als weniger objektivierbar betrachtet wird als die Lichtbrechung. Das Ziel der vorliegenden Thesis war die Entwicklung einer explorativen Versuchsreihe, die anhand der Zylinderlinse ein weiteres Beispiel für die Parallelisierung von Hebung und Brechung vermittelt. Dabei wird die Verwendung und Bedeutung der Begriffe "Hebung" und "Brechung" in Schulbüchern für den Physikunterricht diskutiert und diese in Beziehung zu den Präkonzepten der Schülerinnen und Schüler gesetzt.

• Die Mimetische Miniatur im Sachunterricht - Eine Unterrichtseinheit zum Thema Schatten (abgeschlossen)

  Zusammenfassung: In der vorliegenden Thesis wurde das Ziel verfolgt, eine Unterrichtssequenz zu entwickeln und zu erproben, die Schülerinnen und Schülern explorativ die Schattenlehre im Sachunterricht der Grundschule näherbringt. Dabei lag der Fokus auf den Abbildungseigenschaften von Lichtquellen und Blenden im Prozess der Schattenentstehung. Die Thesis umfasst die Entwicklung von Experimentierstationen und -materialien sowie Arbeitsblättern für die Schülerinnen und Schüler. Die Unterrichtssequenz wurde erfolgreich in zwei Klassen einer Remscheider Grundschule durchgeführt und vermittelte kindgerecht und fachlich anspruchsvoll zentrale optische Gesetzmäßigkeiten der Schattenlehre.