Smartphones, Tablets und andere mobile Rechner sind unter Studierenden und Lehrkräften weit verbreitet. Ihre Ausstattung mit digitalen Sensoren ermöglicht es, sie als smartes Physiklabor zu nutzen, um Gesetzmäßigkeiten und physikalische Effekte selber zu erfahren, zu „entdecken“ und in Experimenten zu überprüfen. Auf dieser Seite erfahren sie mehr zum durchgeführten Projekt in der Physikdidaktik. Im Videointerview erläutern PD Dr. Frank Stallmach und Andreas Kaps das Vorgehen und die Zielstellung.

Screenshot aus dem Video „Smartes Physiklabor" des YouTube Channels der Universität Leipzig
Smartes Physiklabor, Video: StiL-Projektmanagement

Smartes Physiklabor, Video: StiL-Projektmanagement

Auf einen Blick

  • Projektleitung: PD Dr. Frank Stallmach, Dr. Peter Rieger
  • Fachrichtung: Didaktik der Physik
  • Förderung: Lehr-Lern-Projekt der LaborUniversität (StiL)
  • Förderzeitraum: 2018-20
  • Projektumfang: Modulebene, Studiengangebene
  • Schlagwörter: Digitale Anwendungen, Selbststudium, Physikdidaktik, Smartphone als Messinstrument

Was ist das Smarte Physiklabor und wie wird es ins Lehramtsstudium integriert?

Im Rahmen zweier geförderten Lehrprojekts zum smarten Physiklabor wurden für die Studiengänge Staatsexamen Lehramt Physik (Gymnasium, Oberschule und Förderschule) die 3 Grundlagen- und  Fachdidaktikmodule so weiterentwickelt, dass die Studierenden in die Lage versetzt werden, physikalische Experimente eigenständig zu planen, durchzuführen, die gewonnenen Daten zu bewerten und zu analysieren sowie ihre Ergebnisse fachgerecht zu interpretieren, zu diskutieren und zu dokumentieren. Dabei nutzen Sie Smartphones und deren Sensoren und erproben bereits Lehr-Lern-Szenarien für zukünftige Schulklassen. 

Smartphones und andere mobile Rechner verfügen zum Sichern ihrer Funktionalität und Benutzer-freundlichkeit über eine ausgereifte physikalische Messtechnik, die auf internen digitalen Sensoren beruht und die mit Hilfe von Apps genutzt werden kann. Wie fachdidaktische Veröffentlichungen und aktuelle Tagungen belegen, können solche Geräte von Studierenden und Lernenden als mobiles, smartes Physiklabor genutzt werden, um Gesetzmäßigkeiten und physikalische Effekte selber zu erfahren, zu „entdecken“ bzw. in Experimenten zu überprüfen. 

Die Studierenden bereiten in der Fachdidaktik mit dem smarten Physiklabor Lernsituationen für den Physikunterricht auf (FD2) und sammeln Erfahrungen beim Einsatz von Handexperimenten und eigenen Unterrichtsversuchen (FD4), in denen die Umsetzung der Fehler- und Kooperationskultur in ähnlicher Weise vorteilhaft zum Tragen kommen wird. Sie verbinden dabei ihre Kenntnisse zu Fehlkonzepten der Lernenden mit dem Einsatz des smarten Physiklabors, und erweitern damit die Strategien zur Überwindung von Fehlkonzepten im Sinne eines konstruktivistischen Vorgehens mittels dieses digitalen Mediums. Durch Austausch und Kooperation untereinander und mit den Lehrkräften, der in den Lehrveranstaltungen stattfindet und im Fachdidaktiktutorium vorbereitet und begleitet wird, werden hierbei Selbstlernprozesse und Handlungskompetenzen der Studierenden gefördert. 

  • Nutzung von Smartphones bzw. Tablets mit digitaler Sensorik für physikalisches Experimentieren 

  • Hausaufgaben zum selbstständigen Experimentieren und Analysieren für das Modul Mechanik und ihre Mathematischen Methoden (Experimentalphysik 1) 

  • Experimente für forschendes Lehren und Lernen mit Schülern für die Module Grundlagen des Unterrichtens (Fachdidaktik 2) sowie Physik Lernen und Lehren (Fachdidaktik 4) 

  • Umsetzung in Vorlesungen, Übungen und Praktika 

  • Förderung der digitalen Bildung der Studierenden 

  • Integraler Bestandteil der Prüfungsvorleistungen 

  • Fortbildung für Übungsleiter und Lehrer 

  • Übertragung auf andere Physikdidaktische Studiengänge 

Ziel dieses Lehrprojektes ist es, Studierenden der Staatsexamensstudiengänge Lehramt Physik die modernen Möglichkeiten des mobilen, smarten Physiklabors im Lern- und Lehrprozess sowohl während der Fach- als auch in der Fachdidaktikausbildung kompetenzorientiert zu vermitteln. 

Dazu werden Aufgabenstellungen entwickelt und bearbeitet, welche die Studierenden unter Nutzung ihres persönlichen smarten Physiklabors in die Lage versetzen, physikalische Experimente eigenständig zu planen, durchzuführen und zu analysieren sowie ihre Ergebnisse fachgerecht zu interpretieren, zu diskutieren und zu dokumentieren. 

In den Fachdidaktik-Modulen erwerben die zukünftigen Physiklehrkräfte darüber hinaus die Kompetenzen, die für den erfolgreichen Einsatz des smarten Physiklabors in der jeweiligen Schulform unter Beachtung der Heterogenität der Klassenzusammensetzungen und Schulausrüstungen notwendig sind. 

Im zweiten Förderjahr rückten insbesondere die Erfordernisse des kooperativen Lernens in Kleingruppen und die damit verbundenen Herausforderungen zum Feedback und zur Leistungsbewertung durch die Lehrkräfte in den Vordergrund. Hier stehen insbesondere die Fehlerkultur (Fehler zulassen, mit digitalen Medien aufzeigen und als Zentrum der Interaktion zwischen Studierenden und Lehrkräften begreifen) und die Kooperationskultur (Potenziale zur Leistungssteigerung im Austausch und der Kooperation ausschöpfen) für die Arbeit mit unseren Studierenden im Fokus. Dazu sind Weiterentwicklungen der Aufgabenstellungen, der zugehörigen Feedbacks und der Bewertungsrichtlinien für die Module EP1, FD2 und FD4 erfolgt. Die Studierenden werden bei der Bearbeitung dieser Aufgabenstellungen und bei der Entwicklung von eigenen Lehrsequenzen mit Tutorien unterstützt.

  1. A. Kaps und F. Stallmach. Tilting Motion and the moment of inertia of the smartphone, The Physics Teacher, Vol. 58, S.216-217, März 2020: DOI: 10.1119/1.5145423 
  2. A. Kaps, P. Rieger und F. Stallmach. Lehren und Lernen mit dem Smarten Physiklabor. In PhiDidB: Tagungsbeiträge zur DPG Frühjahrstagung 2020 in Bonn, veröffentlicht: Juni 2020 
  3. A. Kaps und F. Stallmach. , The Physics Teacher, Vol. 58, S. 678-679, Dezember 2020 DOI: 10.1119/10.0002744 
  4. A. Kaps, T. Splith und F. Stallmach. Implementation of Smartphone-based Experimental Exercises for Physics Courses at Universities, Physics Education, Volume 56, 2021
  5. A. Kaps, T. Splith und F. Stallmach. Shear Modulus Determination with the Smartphone, The Physics Teacher, im Druck.

 

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