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Problemorientiertes und offenes Experimentieren im physikalischen Praktikum - StoryPool
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Innovative Konzepte und Szenarien aus dem Lehrlabor

Problemorientiertes und offenes Experimentieren im physikalischen Praktikum

Das rezeptartige Experimentieren soll aufgebrochen und durch ein neues Lehrkonzept für offenes, problemorientiertes Experimentieren ersetzt werden, womit das Erlernen eigenverantwortlichen wissenschaftlichen Arbeitens im Team ermöglicht wird. Dabei erwerben die Studierenden zentrale Kompetenzen: Entwurf und Präsentation von Versuchskonzepten, die Schärfung der Konzepte in der Diskussion, die Durchführung von Messungen sowie ihre Präsentation und Diskussion.

Metadaten

  • Lehrende: Hemmerich, Andreas, Stark, Arnold
  • CC-Lizenz: CC-BY (Bearbeitung erlaubt unter Namensnennung)
  • Zitiervorschlag:
    Hemmerich, Andreas/Stark, Arnold (2020): Problemorientiertes und offenes Experimentieren im physikalischen Praktikum. Hamburg: StoryPool. URL:

Maßnahme

In einem Teil des Physikalischen Praktikums I soll das rezeptartige Experimentieren aufgebrochen und durch ein neues Lehrkonzept für offenes, problemorientiertes Experimentieren ersetzt werden. Die Studierenden sollen stärker aktiviert und ihr eigenes Denken und Handeln in den Mittelpunkt gestellt werden. Sie sollen eigene Ansätze einbringen, im Team experimentelle Vorgehensweisen entwerfen, diskutieren und umsetzen, Versuchsentwürfe und -ergebnisse präsentieren und im wissenschaftlichen Diskurs Verbesserungsvorschläge machen und annehmen. Repetitiver Leerlauf, zum Beispiel das Abschreiben von Protokollen, soll reduziert werden.

Zur Verfolgung dieser Ziele wurde ein für die Bedingungen des Praktikums geeignetes Konzept offenen Experimentierens entworfen, das auf folgenden Eckpunkten basiert:

  • Jedes offene Experiment erfolgt in einer Experimentierumgebung, die sich für viele Fragestellungen und viele experimentelle Lösungsmöglichkeiten eignet.
  • Je Experimentierumgebung gibt es mindestens 30 verschiedene Aufgabenstellungen.
  • Zwei Teams mit bis zu vier Studierenden bearbeiten zwei verschiedene Aufgabenstellungen.
  • Der/die Lehrende führt die Studierenden in Konzept und Experimentierumgebung ein, initiiert die Teambildung, verteilt Aufgaben und steht als Diskussionspartnerin bzw. -partner bereit – nicht um die Teams zu lenken, sondern um maximalen Spielraum zur Problemlösung zu eröffnen.
  • Jedes Team entwickelt Ideen zur Lösung der Aufgabe, präsentiert den anderen eigene Entwürfe, diskutiert mit anderen darüber und sucht Fehler und Probleme.
  • Das Experiment wird aufgebaut, durchgeführt und protokolliert.
  • Die Teams präsentieren und diskutieren ihre experimentellen Ergebnisse.
  • Jedes Team arbeitet gemeinsam ein Protokoll des offenen Experiments aus.
  • Die Dozentin bzw. der Dozent prüft das Protokoll und bespricht es mit dem Team.
  • [Für detaillierten Ablauf s. Projektbericht im Anhang]

Die Dozentinnen und Dozenten des Praktikums wurden in den Neugestaltungsprozess von Anfang an mit einbezogen. Mit Hilfe einer zu diesem Zweck entwickelten Anleitung sowie Hospitationen eigneten sich einige der Praktikumsdozentinnen und -dozenten die notwendigen Voraussetzungen zur eigenverantwortlichen Betreuung des neuen, offen gestalteten Experimenttyps an und konnten durch ihre Erfahrungen direkt den Entwicklungsprozess unterstützen.

Verbindung zum klassischen Lehrformat:

  • Vorlesung
  • Seminar
  • Übung
  • Projekt
  • Praktikum
  • Prüfung
  • Selbststudium
  • Vorkurs
  • Sonstiges

Mit dieser Maßnahme werden primär gefördert:

  • Rezeptive Aktivitäten (Lesen, Anschauen, Zuhören)
  • Übende Aktivitäten (Ausprobieren, Routinebildung etc.)
  • Produktive Aktivitäten (Schaffung eigener Inhalte)
  • Organisatorische Aktivitäten (Koordination, Vernetzung etc.)

Rolle von digitalen Medien:

  • Keine nennenswerte Rolle (bspw. primär Präsenzlehre)
  • Eine gewisse bzw. mäßige Rolle (bspw. hybrides Lehrformat)
  • Eine zentrale Rolle (bspw. Online-Lehre)

Beziehung zur Forschung:

  • Forschung fließt als Inhalt ein (Studierende können sich zu Ergebnissen und/oder Prozessen des Forschens kundig machen)
  • Forschung ist das Ziel der Lehrmaßnahme (Studierende üben das Hand- und Denkwerkzeug für eigene Forschungsaktivitäten ein)
  • Forschung ist der Modus der Lehrmaßnahme (Studierende werden selbst forschend tätig)
  • Die Lehrmaßnahme dient dazu, die Voraussetzung für forschungsnahes Lernen zu schaffen.
  • Sonstige
  • Keine

Verortung im didaktischen Dreieck:

  • Inhalte für die Studierenden auswählen, anordnen, darstellen, erklären, (digital) aufbereiten, interaktiv machen etc.
  • Studierende methodisch darin unterstützen, sich Inhalte (allein oder in der Gruppe) anzueignen, zu verstehen, anzuwenden, weiterzuentwickeln, selbst zu generieren etc.
  • Als Lehrende*r mit den Studierenden in Kontakt kommen und in Interaktion treten (Feedback, Kommunikation etc.)
  • Die Lehrorganisation verändern, die für die Beziehung zwischen Inhalten, Studierenden und mir als Lehrende*r von Bedeutung ist

Grund

Im Physikalischen Praktikum werden Studierende verschiedener Studiengänge und verschiedener Semester gemeinsam unterrichtet. Eingangskenntnisstand und Motivationslage der Studierenden sind äußerst heterogen. Eine Synchronisation zwischen Vorlesungsstoff und Praktikumsthematik kann oft nur unvollständig realisiert werden.

Das Praktikum besteht aus zwölf Versuchen. Je Versuch stehen vier Stunden zur Verfügung. Dazu kommen Zeiten für Vorbereitung und Protokoll-Ausarbeitung. Eine Dozentin bzw. Dozent betreut maximal acht Studierende, die zu zweit vorstrukturierte Versuchsprogramme anhand einer Anleitung Schritt für Schritt abarbeiten. Dieser reproduktiv orientierte Arbeits- und Lernablauf ist auch an anderen Universitäten typisch für die klassische Praktikumsausbildung.

Vor diesem Hintergrund entstand der Wunsch, den genannten Schwierigkeiten mit einem neuen Lehrkonzept zu begegnen, die reproduktive Arbeitsweise aufzubrechen und Lernsituationen zu schaffen, bei denen die Lernenden sich in einem kreativen Prozess mit Problemen auseinandersetzen und im Rahmen einer flexiblen Versuchsumgebung offene Lösungswege selber gestalten und entdecken können. Es sollten viele verschiedene und unterschiedlich anspruchsvolle Lösungswege möglich sein, so dass unabhängig von den jeweiligen Startpositionen individuelle Lernerfolge erarbeitet werden können. Zusätzlich sollten kommunikative Prozesse im Team ermöglichen, dass Studierende mit unterschiedlichen Vorkenntnissen und Sichtweisen voneinander profitieren und dass die erfolgende Verbalisierung und Visualisierung das Gelernte bereichern.

Ein Ausgangspunkt unseres Entwicklungsprozesses waren Erfahrungen eines der Autoren mit offenem Experimentieren im gymnasialen Physikunterricht. Weitere Erfahrungen gewannen wir 2010/2011 bei der Einführung des Experimentierlabors Interferometrie in das Physikalische Praktikum II. Hier wurden erste Schritte zu problemorientiertem Experimentieren erprobt, ohne die Grundstruktur zu reformieren. Eigenständige Planung und Diskussion in der Gruppe wurden dabei noch nicht verankert.

Grund für die Entwicklung:

  • Akutes Defizit bzw. akuter Konflikt
  • Bestehendes bzw. strukturelles Problem
  • Vorweggenommene Herausforderung
  • Persönliches professionelles Anliegen
  • Impuls aus meinem Umfeld
  • Sonstiges

Kontext

Das Physikalische Praktikum I für Studierende der Naturwissenschaften findet zwei Mal pro Semester statt und wird jährlich von ca. 400 Studierenden absolviert. Hier und im Praktikum II erfolgt die experimentalphysikalische Grundausbildung der Studierenden der Studiengänge Physik, Geophysik, Ozeanografie, Meteorologie, (Lebensmittel-)Chemie, Informatik und Computing in Science.

Diese Maßnahme wurde mit Mitteln des BMBF unter dem Förderkennzeichen 01PL17033 im Rahmen des Lehrlabors (Universitätskolleg, Universität Hamburg) entwickelt.

Projekttitel: "Problemorientiertes, offenes Experimentieren im Physikalischen Praktikum I für Studierende der Naturwissenschaften"
Förderzeitraum: 01.04.2013 - 31.03.2014

Projekttitel: "Festigung und Ausweitung (Physikalisches Praktikum) von Offenem Experimentieren (I + II)"
Förderzeitraum: 01.04.2014 - 31.03.2015

Meine Maßnahme ist entstanden und hat sich bewährt an einer:

  • Universität
  • Fachhochschule
  • Dualen Hochschule
  • Pädagogischen Hochschule
  • Sonstiges

Meine Maßnahme ist in folgender Disziplin (oder mehreren) zu verorten:

  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften
  • Ingenieurwissenschaften
  • Wirtschafts- und Sozialwissenschaften
  • Geisteswissenschaften
  • Lehrerbildung
  • Rechtswissenschaften
  • Kunst, Design-Wissenschaften
  • Medizin (inkl. Gesundheitswissenschaften)
  • Interdisziplinäre Bereiche
  • Sonstiges

Primäre Zielgruppe meiner Maßnahme:

  • Studieninteressierte
  • Studienanfänger*innen
  • Fortgeschrittene Studierende im Bachelor (oder 1. Studienabschnitt)
  • Studierende am Ende des Bachelorstudiums (oder 1. Studienabschnitts)
  • Studierende im Masterstudium (oder 2. Studienabschnitt)
  • Doktoranden oder Postdocs

Kräfte

Die gegenwärtige Ausbildung im Praktikum ist durch eine Reihe von Randbedingungen gekennzeichnet: Die Bologna-Reform mit zahlreichen studienbegleitenden Prüfungen fördert ein auf Prüfungsbewältigung hin zugeschnittenes Studienverhalten mit reproduktiver Ausprägung. Nach unserer Beobachtung nehmen die mathematischen und physikalischen Kompetenzen der Studierenden zu Studienbeginn im Mittel ab bei gleichzeitiger Zunahme der Streuung. Hierfür könnten die Umstellung auf das achtjährige Gymnasium sowie der Anstieg der Absolventenzahlen verantwortlich sein.

Im Rahmen eines großen Praktikums mit vielen hundert Absolventinnen und Absolventen pro Jahr erscheint eine abrupte Umstellung unmöglich und würde zum zeitweisen Erliegen des Praktikumsbetriebs führen. Deshalb verfolgen wir einen evolutionären Prozess, indem ein Teil der klassischen Experimente nach und nach durch Experimente nach neuem Konzept abgelöst wird. Diese neuen Experimente können nur im laufenden Praktikum eingeführt, erprobt, evaluiert und im Lichte der Erfahrungen und Bedürfnisse der Studierenden und Dozierenden weiterentwickelt werden, und sie müssen sich im Praktikumsalltag mit großen Studierendenzahlen bewähren.

Widersprüchliche Anforderungen, die bei der Maßnahme eine Rolle spielen:

  • Selbst- und Fremdorganisation
  • Lernen durch Zuhören/Lesen/Zusehen und Lernen durch eigenes Tun
  • Analoge und digitale Erfahrungswelten
  • Individuelles und soziales Lernen
  • Fachliche und überfachliche Kompetenzentwicklung
  • Exemplarische und vollständige Lerninhalte
  • Fachsystematische und lernsystematische Vorgehensweisen
  • Sonstige
  • Keine

Wirkungen

  • Unter den Studierenden gibt es mehrheitlich positive Einschätzungen zum neuen Versuchskonzept.
  • Das neue Versuchskonzept war für die meisten Studierenden interessanter und machte mehr Spaß als Versuche traditioneller Art.
  • Es gibt Studierende, die es frustriert, keine direkte Hilfe zu bekommen.
  • Lehrende bestätigen, dass die Studierenden ein im Vergleich zum traditionellen Konzept hohes Maß an Engagement aufboten, und dass es in den Teams tatsächlich zu wissenschaftlichem Diskurs und zu physikalischen Lernfortschritten kam.
  • In den Kolloquien hingegen kam der Diskurs nicht immer wie gewünscht zustande.
  • Einigen Dozentinnen und Dozenten fällt es schwer, sich zurückzuhalten und nicht direkt durch Kommunikation der Lösung zu „helfen“.
  • Allen Studierenden gelang es, Versuche selbständig zu entwerfen und durchzuführen.
  • Phasierungen mit 4 beziehungsweise 8 Zeitstunden (Phasen 2 – 7) sind zeitlich knapp beziehungsweise deutlich zu lang. 4,5 oder 5 Stunden wären angemessen, jedoch sind die Studierenden nach 4 Stunden müde und hungrig und wollen wie bei den „normalen“ Versuchen Feierabend machen.
  • Gerade bei knappem zeitlichen Rahmen ist eine umfangreiche Einführung in die Experimentierumgebung notwendig, da sonst Bedienfehler Zeit kosten und demotivieren.
  • Alle Teamgrößen zwischen 2 bis 4 Studierenden funktionieren. Besonders effektiv wirken drei Studierende zusammen: Beim Entwurf haben mehr Köpfe mehr Ideen, für die Durchführung und Auswertung sind drei Studierende genug.
  • Greift die Dozentin bzw. der Dozent konzeptwidrig in die Versuchsplanung ein, kann dies zu Konflikten führen, denn die Studierenden machen sich ihren Versuchsentwurf auch emotional zu eigen.
  • In den Kolloquien tragen die Teams Entwürfe und Ergebnisse in der Regel gut verständlich vor. Anschließend kommt es oft zu fruchtbaren Diskussionen, in denen die meistens Teams Kritik und Anregungen der anderen Studierenden annehmen können und den Entwurf oder die Auswertungsmethode entsprechend ändern.
  • Sind die Zuhörerinnen und Zuhörer unkritisch und akzeptieren Entwürfe und Ergebnisse trotz offensichtlicher Mängel, so kann die bzw. der Dozierende auf Lücken in der Argumentation aufmerksam machen.
  • Oft widersprechen experimentelle Ergebnisse den Erwartungen, so dass Studierende einen „kognitiven Konflikt“ erleben und bei der Diskussion beeindruckende Lernprozesse stattfinden können.
  • In den meisten Fällen arbeiten die Studierenden bei der Auswertung und der Ausarbeitung des Protokolls gut zusammen, so dass sich authentische Protokolle ergeben. Repetitiver Leerlauf wird also erfolgreich eingedämmt.
  • Weiterführende Informationen

    Literatur

    Braun, T./Backhaus, U. (2007): Offenes Experimentieren in der Lehramtsausbildung. Tagungsband der DPG-Frühjahrstagung Regensburg, Didaktik der Physik. Berlin: Lehmanns Media. URL: www.didaktik.physik.uni-duisburg-essen.de/~backhaus/pdfs_fuer_Webseite/OffenesExperimentieren_DPG07.pdf

    de Bono, E. (1999). Six Thinking Hats. Back Bay Books. 2nd edition.

    Höttecke, D. (2010). Forschend-entdeckender Physikunterricht. Ein Überblick zu Hintergründen, Chancen und Umsetzungsmöglichkeiten entsprechender Unterrichtskonzeptionen. Naturwissenschaften im Unterricht. Physik, 21(119), S. 4 – 12.

    Kolmos, A. / Du, X. / Holgaard, J. E. / Jensen, L. P. (2008). Facilitation in a PBL-environment, Aalborg. Verfügbar unter: http://vbn.aau.dk/files/16177510/Facilitation_in_a_PBL_environment.pdf [16.06.2016].

    Scholkmann, A. / Sommer, A. / Petersen, K. (2014). Hochschuldidaktische Begleitung von Lehrinnovationen: „Nice to have“ oder unentbehrlich? In Lenzen, D. / Rupp, S. (Hrsg.), Das Lehrlabor – Förderung von Lehrinnovationen in der Studieneingangsphase. Projektstand nach zwei Jahren (S. 40 – 48). Universitätskolleg-Schriften, Band 6, Universität Hamburg. Verfügbar unter: www.uhh.de/uk-band006 [14.11.2016].

    Scholkmann, A. (2016). Forschend-entdeckendes Lernen. (Wieder-)Entdeckung eines didaktischen Prinzips. In Berendt, B. / Fleischmann A. / Schaper, N. / Szczyrba, B. / Wildt, J. (Hrsg.), Neues Handbuch Hochschulehre (S. 1 – 36). S. A 3.17, Berlin.

    Stark, A. (2007): Wie wirken sich qualitätssichernde Maßnahmen auf von Schülern selbst entworfene Experimente aus? Eine Untersuchung im Physikunterricht der Klassenstufe 10 des Gymnasiums zum Thema Druck. Landesinstitut für Lehrerbildung und Schulentwicklung. Hamburg.

    Stark, A. (2015). Coulombkraft und elektrische Ladungen. Strom und Spannung richtig messen; Oszilloskop und Frequenzgenerator. Universität Hamburg. Verfügbar unter: https://lecture2go.uni-hamburg.de/veranstaltungen/-/v/17835 bzw. 17910 bzw. 18095 [16.06.2016].

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