Fakultät für Naturwissenschaften

Institut für Physik

Abt. Didaktik der Physik

1) Modellierung von Blickbewegungen 

Rolle des Wort- und Satzverständnisses beim Lernen von  Physik

Die gemessenen Sakkadendaten basieren auf dem Koordinatensystem des Einheitskreises. Richtungen und Längen werden absolut in Form eines Winkels angegeben. Die Ausgangsdaten sind kreisförmig verteilt, wobei beispielsweise 0 Grad und 360 Grad übereinstimmen, und Entfernungen innerhalb des Einheitskreises werden unter Verwendung von Bogenlängen anstatt der euklidischen Distanz berechnet. Daher ist es angebracht, eine kreisförmige Analysemethode anstelle einer linearen zu verwenden. Aus diesem Grund haben wir die Daten in Polarkoordinaten umgewandelt und Techniken für den Median, die Standardabweichung und die Varianz ausgewählt, die für diese kreisförmige Verteilung geeignet sind. Das Gleiche gilt für die Kerndichteschätzung. Hier verwenden wir die von-Mises-Verteilung für kreisförmige Daten. Die quantitative Analyse der Unterschiede in der Sakkadenwahrscheinlichkeitsverteilung zwischen verschiedenen Gruppen (hier DAZ - Deutsch als Zweitsprache und DES - Deutsch als Erstsprache) wird mit der nicht-parametrischen Jensen-Shannon-Divergenzmethode (JSD) durchgeführt.   

 2) Aufmerksamkeitssteuerung durch Hinweisgabe

Statische Darstellungen

Häufig werden physikalische Konzepte mit vielen verschiedenen Darstellungsformen visualisiert. In der Physik typische visuelle Darstellungen sind beispielsweise Schaltskizzen, Feldlinienbilder, Termschemata, Skizzen von Versuchsaufbauten usw. Manche Darstellungen sind ähnlich zu dem realen Objekt, das sie abbilden. Beispielsweise zeigen Skizzen von Versuchsaufbauten die verwendeten Materialien in einer Art und Weise, die ein Wiedererkennen i.d.R. erleichtert. Neben solchen anschaulichen visuellen Darstellungen gibt es gerade in der Physik auch sehr abstrakte Visualisierungen. So können zum Beispiel Feldlinienbilder nur mit dem notwendigen Wissen über Feldlinienbilder richtig interpretiert werden. Forschungsergebnisse von Studien über Schwierigkeiten beim Lernen mit visuellen Darstellungsformen zeigen, dass Novizen im Vergleich zu Experten oftmals nicht mit den visuellen Darstellungen umgehen können. Daher besteht Konsens darüber, dass Novizen bei der kognitiven Verarbeitung von abstrakten Visualisierungen Unterstützung erfahren sollten. Eine Möglichkeit ist, die Aufmerksamkeit der Lernenden durch externe Hinweise nacheinander auf bestimmte Bereiche einer Visualisierung zu steuern. Die Wirksamkeit solcher Hinweise kann in Eye-Tracking-Studien untersucht werden. 

Publikationen:

1. Hurzlmeier, M., Watzka, B., Hoyer, C., Girwidz, R., & Ertl, B. (2021). Lernergebnisse und individuelle Prozesse des Physik-Lernens mit auditiven und visuellen Hinweisen. Zeitschrift für Pädagogische Psychologie. https://doi.org/10.1024/1010-0652/a000331
2. Hurzlmeier, M., Watzka, B., Hoyer, C., Girwidz, R., & Ertl, B. (2021). Visual Cues in a Video-Based Learning Environment: The Role of Prior Knowledge and its Effect on Eye Measures. In E. de Vries, J. Ahn & Y. Hod (Eds.): Proceedings of the 15th International Conference of the Learning Sciences – ICLS 2021, Bochum. International Society of the Learning Sciences 2021, pp. 3-10.  
   https://repository.isls.org/bitstream/1/7481/1/3-10.pdf
3. Ertl, B., Watzka, B., Csanadi, A., Hoyer, C., & Girwidz, R. (2020). Physics learning environments: The impact of auditive and visual cues on learning outcomes and cognitive load, AERA Conference 2020, San Francisco. Link
4. Csanadi, A.; Watzka, B.; Hoyer, C.; Girwidz, R. & Ertl, B. (2019). A computer-based multimedia training for electric circuits: the effects of modality, prior knowledge and cognitive load on learning outcomes. EARLI Conference Aachen. 

 Dynamische Darstellungen

Auch die Informationsentnahme aus dynamischen Lernmedien wie Experimentiervideos bereitet Lernenden Schwierigkeiten. Daher werden diese häufig durch Hinweise ergänzt, welche die visuelle Aufmerksamkeit steuern und den Lernerfolg verbessern können. Bisher ist offen, wie gut der Lernerfolg beim Lernen mit Videos in Abhängigkeit von der Hinweismodalität vorhergesagt werden kann und welche Rolle dabei die visuelle Aufmerksamkeit spielt. Das Ziel dieser Studie ist, die Hinweismodalität zu variieren, um den Lernerfolg zu beeinflussen und dabei zu untersuchen, wie viel der so erzeugten Varianzen im Lernerfolg durch die visuelle Aufmerksamkeit erklärt werden können.

Publikationen:

1. Hoyer, C., Watzka, B. Hurzlmeier, M., Ertl, B. & Girwidz, R. (2022). Eye-Tracking als Methode zur Analyse der Wirkung unterstützender Hinweise in digitalen Lernumgebungen. In P. Klein, M. Schindler, N. Graulich & J. Kuhn (Hrsg.), Eye Tracking als Methode in der Mathematik- und Naturwissenschaftsdidaktik: Forschung und Praxis, Springer. 
   https://doi.org/10.1007/978-3-662-63214-7_4
2. Watzka, B., Hoyer, C., Ertl, B., & Girwidz, R. (2021). Wirkung visueller und auditiver Hinweise auf die visuelle Aufmerksamkeit und Lernergebnisse beim Einsatz physikalischer Lernvideos. Unterrichtswissenschaft. DOI: 10.1007/s42010-021-00118-7
3. Watzka, B., Hoyer, Ch., Ertl, B. & Girwidz, R. (2020). Wirkung visueller und auditiver Hinweise in Videos zu Wirbelströmen. In S. Habig (Hrsg.). Naturwissenschaftliche Kompetenzen in der Gesellschaft von morgen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Wien 2019 (S. 142-145). Universität Duisburg-Essen. https://www.gdcp-ev.de/wp-content/tb2020/TB2020_142_Watzka.pdf

3) Kontextorientierung

Das Wummern - ein Akustikkontext aus dem Alltag

Das Überströmen von Luft über ein Loch oder eine Einbuchtung/Aushöhlung führt im Allgemeinen zur Generierung von Schall mit sowohl geräuschartigen als auch tonalen Komponenten. Die dabei entstehenden Schwingungen mit ihren Frequenzen und Amplituden sind durch die Resonanzeigenschaften des Hohlraumes bestimmt. Beispiele, in denen die Luftsäule einer Röhre oder das Luftvolumen eines Hohlraumes durch das Anblasen einer Öffnung oder Kante zu stabilen Schwingungen angeregt wird, sind das Musizieren mit Querflöten oder beim Autofahren das Wummern. In diesem Projekt werden mit einfachen Mitteln Messungen durchgeführt und Wummern detektiert. Anschließend wird mit Frequenzanalysen und Sonagrammen das Wummern analysiert und die Passung mit dem theoretischen Modell diskutiert (Publikation in Vorbereitung). 

Modellierung von Authentizität und Komplexität in der Wissenschaftskommunikation (DFG-Projekt)

Das Hauptziel ist die Erweiterung und empirische Überprüfung des Modells zur Authentizität in der Wissenschaftskommunikation im Kontext magnetischer Elastomere im Rahmen einer Forschungsgruppe, die aus Fachphysikerinnen und Fachphysikern, Ingenieurinnen und Ingenieuren und Fachidaktikerinnen und Fachdidaktikern besteht. Verschiedene Mitmachangebote von Projekttagen in Schulen bis hin zu online Angeboten werden in der Forschungsgruppe zu einem aktuellen Forschungsthema (im Kontext magentischer Elastomere) entwickelt (siehe untenstehende Abbildung). 

In diesen Rahmen wird die Struktur der disziplinären Authentizität, deren Kern die Wissenschaftsvermittlung ist, untersucht. Dabei werden Personenmerkmale, Authentizitätsdimensionen, objektive Komplexität, kognitive Belastung und Lernergebnisse einbezogen, was einer Erweiterung der bestehenden Authentizitätsmodelle um kognitive Faktoren gleichkommt. Dazu werden u.a. authentische Visualisierungen der Fachkollegen und -kolleginnen und mittels Eye-Tracking, Interviews und Fragebogenerhebungen auf die kognitive Verarbeitung untersucht und ausgewertet (siehe Abb.). Die gemessenen Sakkadendaten basieren auf dem Koordinatensystem des Einheitskreises. Richtungen und Längen werden absolut in Form eines Winkels angegeben. Die Ausgangsdaten sind kreisförmig verteilt, wobei beispielsweise 0 Grad und 360 Grad übereinstimmen, und Entfernungen innerhalb des Einheitskreises werden unter Verwendung von Bogenlängen anstatt der euklidischen Distanz berechnet. Daher ist es angebracht, eine kreisförmige Analysemethode anstelle einer linearen zu verwenden. Aus diesem Grund haben wir die Daten in Polarkoordinaten umgewandelt und Techniken für den Median, die Standardabweichung und die Varianz ausgewählt, die für diese kreisförmige Verteilung geeignet sind. Das Gleiche gilt für die Kerndichteschätzung. Hier verwenden wir die von-Mises-Verteilung für kreisförmige Daten. Die quantitative Analyse der Unterschiede in der Sakkadenwahrscheinlichkeitsverteilung zwischen verschiedenen Gruppen wird mit der nicht-parametrischen Jensen-Shannon-Divergenzmethode durchgeführt. 

Facetten von Authentizität

Realitätsbezug und Lebensnähe sind zwei charakteristische Merkmale kontextorientierten Lernens, das meist einhergeht mit vielen positiven Erwartungen in Bezug auf Motivation, Interessenbildung, Wissenserwerb und -transfer. Die unterrichtliche Behandlung der physikalischen Grundlagen von Alltagsensoren, bionischen Anwendungen oder Wetterphänomenen ist eine Möglichkeit zur Umsetzung kontextorientierten Lernens. So verlockend dieser Ansatz im ersten Moment erscheint, er stellt hohe didaktische Anforderungen an Lehrkräfte. Sie müssen, angesichts der häufig komplizierten Sensortechnik, der fachfremden Inhalte im fächerübergreifenden Unterricht etc., Strategien zur sach- und schülergerechten Veran-schaulichung entwickeln und gleichzeitig darauf achten, nichts an Realitätsnähe, Kontextbezug und Authentizität einzubüßen. Die Wirksamkeit kontextorientierten Unterrichts kann in empirischen Studien untersucht werden. 

Publikationen:

1. Watzka, B. & Rubitzko, T. (2021). Lernen im Kontext der atmosphärischen Zirkulation - Fachwissen vertiefen und Fachkompetenzen fördern mit interessanten Phänomenen und vielfältigen Darstellungsformen, NiU Physik 186 (32), 2-6.

2. Watzka, B. (2021). Bionik im fächerübergreifenden Physikunterricht: Erkennen - Abstrahieren - Umsetzen. NiU Physik, 185/32, 2-7.

3. Schüttler, T., Watzka, B., Girwidz, R., & Ertl, B. (2021). Die Wirkung der Authentizität von Lernort und Laborgeräten auf das situationale Interesse und die Relevanzwahrnehmung beim Besuch eines naturwissenschaftlichen Schülerlabors. ZfDN. DOI: 10.1007/s40573-021-00128-z. 
4. Schüttler, T., Watzka, B. & Girwidz, R. (2020). Ist Authentizität wirklich der Trumpf der Schülerlabore?. In S. Habig (Hrsg.). Naturwissenschaftliche Kompetenzen in der Gesellschaft von morgen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Wien 2019 (S. 365-368).Universität Duisburg-Essen. https://www.gdcp-ev.de/wp-content/tb2020/TB2020_365_Schuettler.pdf
5. Watzka, B.; Buchner, L. & Girwidz, R. (2018). Widerstandsänderungen von Halbleitern mal anders: Ein kontextorientierter Unterricht mit Arduino und Alkoholsensoren, Unterricht Physik 167/29, S. 23-27.
6. Watzka, B.; Buchner, L.D. & Girwidz, R. (2017). Authentisches Lernen mit Atemalkoholsensoren im Physikunterricht - Physikalische Grundlagen, Visualisierungen und Experimente. PhyDid A - Physik und Didaktik in Schule und Hochschule.http://www.phydid.de/index.php/phydid/article/view/661
7. Watzka, B. & Girwidz, R. (2016). Authentisches Lernen und Visualisierungen zum Thema Atemalkoholsensoren. PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung 2016 in Hannover.http://www.phydid.de/index.php/phydid-b/article/view/684/822
8. Watzka, B. & Girwidz, R. (2015). Einfluss der Kontextorientierung und des Präsentationsmodus von Aufgaben auf den Wissenserwerb und die Transferleistung physikalischer Inhalte. ZfDN 21(1), S. 187-206, DOI: 10.1007/s40573-015-0034-8. http://link.springer.com/article/10.1007/s40573-015-0034-8
9. Watzka, B. (2013). Physiklernen mit Sensoren: Auswirkungen authentischer Anwendungskontexte und dual codierter Übungsaufgaben auf das Lernen im Physikunterricht. Berlin: Logos Verlag.
10. Watzka, B. & Girwidz, R. (2013). Aufgabenformate und Kontextorientierung beim Physiklernen mit Sensoren. In S. Bernholt (Hrsg.), Inquiry-based Learning - Forschendes Lernen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Hannover 2012, Kiel: IPN, S. 290 - 292.
11. Watzka, B. & Girwidz, R. (2012). Learning Physics in Daily Life Contexts: A Concept for Effective Learning and Teaching. In C. Bruguière, A. Tieberghien & P. Clément (Eds.) E-Book Proceedings of the ESERA 2011 Conference, Lyon, France, Science learning and Citizenship. http://lsg.ucy.ac.cy/esera/e_book/base/ebook/strand3/ebook-esera2011_WATZKA-03.pdf
12. Watzka, B. & Girwidz, R. (2011). Kontextorientierte Ankermedien aus der Alltags- und Umweltsensorik - ein Lernmodul zu CO2-Gassensoren. In D. Höttecke (Hrsg.) Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik: Naturwissenschaftliche Bildung als Beitrag zur Gestaltung partizipativer Demokratie. S. 324 - 326.
13. Watzka, B. & Girwidz, R. (2011). Kontextorientierte Anker aus der Alltags- und Umweltsensorik: Erste Resultate einer Interventionsstudie. PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung 2011. http://www.phydid.de/index.php/phydid-b/article/view/294
14. Watzka, B. & Girwidz, R. (2011). Ist die Luft zu schlecht zum Lernen? - Nichtdispersive IR-CO2-Gassensoren im Physikunterricht. PhyDid A - Physik und Didaktik in Schule und Hochschule. 10 (2011). S. 22 - 33. http://www.phydid.de/index.php/phydid/article/view/232

4) Lernen mit interaktiven / webbasierten Übungsaufgaben

Übungen brechen einen lehrerzentrierten Unterricht auf und ermöglichen schüler­zentrierte Unterrichts- und Übungsphasen. In Übungen haben die Lernenden die Gelegenheit, sich selbst aktiv und eigenständig mit dem Lerninhalt auseinanderzusetzen. Eine besondere Herausforderung beim eigenständigen Lernen ist, die Aufrechterhaltung des Lernprozesses beim Aufkommen von Schwierigkeiten bzw. beim offensichtlichen falsch Lösen von Aufgaben. Feedback kann solche Schwierigkeiten mindern und einen großen Einfluss auf Lernen und Lernleistung nehmen. Allerdings kann dieser Einfluss sowohl positiv als auch negativ sein. Feedback ist nicht gleich Feedback. In empirischen Studie kann die Wirksamkeit unterschiedlicher Feedbackformen auf den Kompetenzerwerb von Schülerinnen und Schülern untersucht werden. Ein Beispiel zeigt die folgende interaktive Aufgabe. Sie fordert zum Zuordnen auf und zeigt als Feedback die richtige Lösungen unmittelbar an. 

Publikationen:

1. Watzka, B. (2022). Interaktive Lern- und Übungsaufgaben in der Physiklehramtsausbildung - Vergleich zwischen Online-, Präsenz- und Selbststudium, Lessons Learned 2(2). https://doi.org/10.25369/ll.v2i2.53
2. Rubitzko, T. & Watzka, B. (2021). Das Wetterphänomen Föhn: Wissen über adiabatische Zustands­ände­rung­en mithilfe von interaktiven H5P-Aufgaben erarbeiten und anwenden, NiU Physik 186 (32), 28-33.
3. Watzka, B. (2021). Webbasierte Übungen zur Förderung des Umgangs mit Bewegungsdiagrammen. NiU Physik, 181 (32), S. 38-41.
4. Watzka, B.; Richtberg, S.; Schweinberger, M. & Girwidz, R. (2019). Interaktives Üben mit H5P-Aufgaben. NiU Physik 173, S. 22-27.