Forschungsthemen in der Physikdidaktik
Augmented Reality im Physikunterricht
Eine zukunftsträchtige Anwendung für den Einsatz digitaler Medien in der Ausbildung ist die ”Virtual und Augmented Reality”. Sie schafft Möglichkeiten (z.B. im Fach Physik die Visualisierung von physikalischen Modellvorstellungen), fachliche Inhalte auf eine vollkommen neue Art und Weise zu vermitteln. Durch die Verknüpfung von Realobjekten mit zusätzlichen digitalen Informationen verringert sich der Abstraktionsgrad zur Modellbildung, wodurch auch Fehlvorstellungen entgegengewirkt werden kann. Digitale Medien sind in der heutigen Gesellschaft in allen Bereichen der Berufswelt vertreten. Dieses Bild spiegelt sich im momentanen Schulalltag bzw. der universitären Lehrerausbildung jedoch nicht wider. Um auf diese Entwicklung ausreichend zu reagieren, ist es daher notwendig, den Einsatz digitaler Medien bereits im Schulunterricht oder innerhalb eines Studiums zu erlernen bzw. als Lehrkraft (möglichst kostenfrei) Zugang zu didaktisch wertvollen Materialien zu besitzen.
Im Rahmen dreier Dissertationsarbeiten werden Augmented Reality-Applikationen für den Einsatz im schulischen Physikunterricht entwickelt und hinsichtlich ihrer Lernförderlichkeit evaluiert.
Weitere Informationen zu diesem Thema finden sie hier.
Professionalisierungsforschung im Lehr-Lern-Labor Physik
Das Würzburger Lehr-Lern-Labor Physik ist Gegenstand mehrerer Forschungsarbeiten zur Professionalisierung angehender Lehrkräfte. Dabei stehen verschiedene Aspekte des Lernens und der Entwicklung von Lehrkompetenzen im Mittelpunkt.
- Susan Fried untersucht in ihrer Dissertation, ob und wie Studierende im Lehr-Lern-Labor ihr bisher erworbenes physikdidaktisches Wissen aktiv anwenden. Im Fokus stehen hierbei die zentralen Bereiche Schülerkognition, Instruktionsstrategien, Curriculum und Assessment. Ihre Untersuchung kombiniert quantitative Erhebungen, basierend auf Skalen der Projekte KiL (Krüger et al. 2013) und DIAGNOSER (Thissen-Roe et al., 2004), mit qualitativen Analysen aus studentischen Logbüchern.
Zwei weitere Dissertationsprojekte konnten erfolgreich abgeschlossen werden:
- Florian Treisch beschäftigte sich mit der Entwicklung der professionellen Unterrichtswahrnehmung (PU) der Studierenden im Lehr-Lern-Labor Seminar. Ziel seiner Studie war es, zu untersuchen, wie sich die PU im Laufe des Seminars entwickelt und welchen Einfluss eine videobasierte Analysephase nach den Praxiseinheiten auf diese Entwicklung hat. Als Messinstrument kam das OBSERVER-Tool (Seidel et al., 2010) im Pre-Post-Design zum Einsatz.
- Markus Elsholz untersuchte in seiner Dissertation die Struktur und Entwicklung des akademischen Selbstkonzeptes (akSK) angehender Physiklehrkräfte während des Lehr-Lern-Labor Seminars. Hierbei standen die Operationalisierbarkeit von Selbstkonzeptfacetten in den Wissensbereichen CK, PCK und PK sowie deren Veränderungen während der Praxisphasen im Fokus. Als Instrument wurden adaptierte Skalen nach Dickhäuser (2002) verwendet.
In einem aktuell laufenden Dissertationsprojekt beschäftigt sich Jens Damköhler mit der Untersuchung und Förderung von Reflexionsprozessen im Lehr-Lern-Labor. Zentral ist hierbei die Frage, wie angehende Lehrpersonen ihre ersten Unterrichtserfahrungen reflektieren. Für die systematische Analyse der Reflexionsprodukte wurde ein Werkzeug zur Charakterisierung der ablaufenden Prozesse entwickelt, durch das beispielsweise das Verhältnis von Selbst- und Fremdreflexionen sowie die Entwicklung der Reflexionspraxis der Studierenden im Seminarverlauf dargestellt werden soll.
Alle genannten Projekte stehen in enger Verbindung mit dem Schwerpunkt „Professionalisierungsforschung“ des Lehrstuhls und bieten Anknüpfungspunkte für zukünftige Forschungsarbeiten zur Professionalisierung von Lehrkräften.
Labs4Future – Handlungsorientierte Klimabildung im Lehr-Lern-Labor
Die Klimakrise stellt ein komplexes, gesellschaftlich relevantes Thema dar, das in der schulischen Bildung oft nur einseitig behandelt wird. Das Projekt „Labs4Future“ entwickelt und beforscht daher ein innovatives Lehr-Lern-Labor, das Lehramtsstudierenden und Schüler:innen multiperspektivische und handlungsorientierte Ansätze der Klimabildung vermittelt. Im Zentrum steht das Lessons4Action-Framework, das naturwissenschaftliche Inhalte mit umweltpsychologischen Erkenntnissen und Transformationswissen verbindet, um die Lücke zwischen Wissen und Handeln zu schließen.
Lehramtsstudierende professionalisieren sich dabei in der Betreuung von Lernprogrammen und reflektieren in einem begleitenden Seminar die Wirksamkeit von Klimabildung. Im Labor erarbeiten Schüler:innen experimentell die Grundlagen der Klimakrise und entwickeln mithilfe kreativer Methoden konkrete Maßnahmen für eine emissionsärmere Zukunft.
In einem mixed-methods Forschungsansatz werden das Framework sowie die entwickelten Materialien evaluiert.
Drei veröffentlichte Materialentwicklungen sind:
a) Mystery: Treibhauseffekt, Kipppunkte und lokale Folgen des Klimawandels verbunden in einem großen Mystery Download
b)Treibhaustaler: Flächenrepräsentationen der Emissoinen eines durchschnittlichen Tages Handreichung und Arbeitsmaterialien
c) Stadt der Zukunft & Klimakreisel: Zukunftswerkstatt zu strukturellen Veränderungen in der eigenen Stadt/Gemeinde Ablauf
Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie hier.
Einsatzmöglichkeiten künstlicher Intelligenz (KI) in der Physikdidaktik
Im Würzburger Lehr-Lern-Labor Physik werden innovative Wege beschritten, um angehende Lehrkräfte auf digitale Herausforderungen im Schulalltag vorzubereiten. Ein Schwerpunkt ist der Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI), insbesondere von Chatbots auf Basis von ChatGPT.
- Im ersten Teilprojekt (Lutz, Damköhler & Trefzger) wurde mittels einer umfassenden Online-Fragebogenstudie die AI-Literacy und die Akzeptanz von KI unter Lehramtsstudierenden an der Universität Würzburg untersucht. Dabei zeigte sich, dass Studierende mit Erfahrung im Umgang mit KI-Werkzeugen Chancen deutlicher wahrnehmen und Risiken geringer einschätzen als unerfahrene Studierende. Zudem schätzen sie ihre KI-Kompetenzen und Selbstwirksamkeit höher ein.
- Ein zweites Teilprojekt (Damköhler, Lutz & Trefzger) fokussiert auf die Integration von KI-gestützten Reflexionsassistenten im iterativen Seminarformat des Lehr-Lern-Labors. Zwei speziell entwickelte Chatbots unterstützen die Studierenden dabei: Einerseits helfen sie bei der Optimierung der Unterrichtsmaterialien und Betreuungskonzepte anhand der Kriterien guten Unterrichts (Klassenführung, Schülerunterstützung, kognitive Aktivierung). Andererseits ermöglichen sie eine tiefergehende Reflexion der eigenen Lehrpersönlichkeit basierend auf dem Zwiebelmodell nach Korthagen.
- Im dritten Teilprojekt (Herz, Damköhler, Lutz & Trefzger), das im Rahmen einer Zulassungsarbeit durchgeführt wurde, erfolgte der gezielte Einsatz eines KI-basierten Chatbots zur Unterstützung bei der Entwicklung von Experimentierumgebungen. Durch gezieltes Prompt-Engineering optimiert, wird der entstandene Chatbot in einer Interviewstudie auf Basis des Technologieakzeptanzmodells (TAM) unter den Studierenden evaluiert.
Alle drei Studien werden aktuell weitergeführt und weiterentwickelt; weitere Forschungsprojekte sind in Planung. Zudem findet eine enge Verzahnung mit dem Lehrstuhlschwerpunkt „Professionalisierungsforschung“ statt, um die Professionalisierung angehender Lehrkräfte im digitalen Zeitalter weiter zu fördern und zu optimieren.
Flipped Classroom im Physikunterricht
Die Digitalisierung in den Schulen fragt auch im Physikunterricht nach dem Einsatz und der Evaluation innovativer Unterrichtskonzepte, die an die digitale Lebenswirklichkeit von Lernenden aus der Schule anknüpfen. So verwendet das Unterrichtskonzept "Flipped Classroom" online verfügbare Lernvideos, mit Hilfe derer die Lernenden sich auf den Physikunterricht vorbereiten. Dadurch steht im Unterricht mehr Zeit für aktivierende Lerntätigkeiten zur Verfügung.
In Dissertationen und in Zulassungsarbeiten wurden und werden die Auswirkungen dieser Unterrichtsmethode im Physikunterricht untersucht.
Weitere Bereiche der Forschung
- Schülervorstellungen
- Entwicklung von Software für die Lehre
- Computereinsatz im Physikunterricht / Multicodierung
