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Elementary particle physics in early physics education

Gerfried Wiener

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)

Betreuer*in

Martin Hopf

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11602.26877.928066-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Das Kapitel der Elementarteilchenphysik gilt sowohl in der Forschung als auch in der Lehre als grundlegend, ist allerdings noch nicht vollständig in aktuellen Lehrplänen integriert. Tatsächlich stellt sich momentan die fachdidaktische Forschungsfrage, ob und wie man Elementarteilchen frühzeitig im Physikunterricht behandeln kann. Dieser Frage wurde im Rahmen des präsentierten Dissertationsprojekts nachgegangen, und die gesammelten Ergebnisse werden in der vorliegenden Dissertation zusammen-gefasst. Zu Beginn des Dissertationsprojekts wurde eine Unterrichtseinheit zum subatomaren Aufbau der Materie entwickelt, welche darauf abzielt, 12-Jährige in die Welt von Elementarteilchen und fundamentalen Wechselwirkungen einzuführen (Wiener et al., 2015). Diese Unterrichtseinheit wurde zyklisch im Sinne fachdidaktischer Entwicklungsforschung erarbeitet und die jeweiligen Versionen wurden mit Hilfe von Akzeptanzbefragungen evaluiert. Nach insgesamt 20 Einzelinterviews mit Jugendlichen der 6. Schulstufe, welche gefilmt, vollständig transkribiert, und kategorienbasiert ausgewertet wurden, erwies sich die finale Version der Unterrichtseinheit für alle teilnehmenden SchülerInnen als adäquat und plausibel. Speziell die der Einheit zugrunde liegenden key ideas und Basiskonzepte führten zu vielversprechenden Ergebnissen, welche zukünftige Evaluationen im regulären Physikunterricht nahelegten. Im Rahmen der Entwicklungsphase der Unterrichtseinheit wurde zudem auch eine detaillierte Beschreibung des Large Hadron Collider (LHC) als Paradebeispiel der Grundlagenforschung erarbeitet (Wiener et al., 2016), sowie ein Alternativvorschlag zur graphischen Darstellung von Antifarbladung formuliert (Wiener et al, accepted). In weiterer Folge wurde der Forschungsfokus des Dissertationsprojekts auf die Sicht der Lehrpersonen gelegt, um so die didaktische Umsetzbarkeit der Unterrichtseinheit zu evaluieren. Dazu wurde eine Folgestudie konzipiert, in der erneut Akzeptanzbefragungen zum subatomaren Aufbau der Materie mit 17 Jugendlichen der 6. Schulstufe durchgeführt wurden (Wiener et al., submitted1). Allerdings wurden diese 17 Akzeptanzbefragungen von instruierten PhysiklehrerInnen geleitet, um so auch deren Einschätzung der Unterrichtseinheit erheben zu können. Vergleichbar mit den Ergebnissen der Originalstudie zeigte sich, dass die teilnehmenden Jugendlichen die zentralen Konzepte der Einheit erneut als plausibel und sinnvoll beurteilten und deren Bewertung zudem auf ein tiefgreifendes Verständnis der key ideas schließen ließ. Darüber hinaus fiel das Feedback der Lehrpersonen ebenfalls sehr positiv aus, wodurch die Entwicklung der Unterrichtseinheit erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Zudem wurde, um den Transfer in den Physikunterricht zu unterstützen, eine Zusammenfassung der key ideas und Basiskonzepte erstellt (Wiener et al., submitted2). Danach wurde der Fokus des Dissertationsprojekts ein weiteres und letztes Mal adaptiert und basierend auf den Ergebnissen der Folgestudie wurde untersucht, inwiefern sich die Methode der Akzeptanzbefragung als effektive Fortbildungsmethode für Lehrpersonen eignet. Speziell wurde im Rahmen einer explorativen Studie der Frage nachgegangen, ob das Vorbereiten und Durchführen von Akzeptanzbefragungen einen Einfluss auf das fachdidaktische Wissen (pedagogical content knowledge - PCK) von PhysiklehrerInnen hat (Wiener et al., submitted3). Hier wiesen die ersten Ergebnisse tatsächlich darauf hin, dass sich einzelne Komponenten des fach-didaktischen Wissens − im Speziellen das Wissen über Lernende und das Wissen über den Lehrplan − beeinflussen lassen, und daher eine weitere Erforschung dieser Methodentransformation vielversprechend ist. Zusammenfassend führte das Dissertationsprojekt zu erfolgreichen Ergebnissen und unterstrich die Machbarkeit, das Kapitel der Elementarteilchenphysik in adäquater Weise im Physikunterricht einzuführen. Aufgrund der Verortung im Feld der fachdidaktischen Entwicklungsforschung führten die verschiedenen Ergebnisse des Dissertationsprojekts zudem zur Formulierung weiterer Forschungsfragen, die sowohl fachdidaktischer als auch methodischer Natur sind, welche am Ende der Dissertation ausführlich diskutiert werden.

Abstract

(Englisch)

Elementary particle physics is a fundamental topic in science, and in particular in science education. However, in most countries, the chapter of particle physics is not necessarily fully integrated in the physics curriculum. Indeed, current physics education research is faced with the important question of how best to introduce elementary particle physics in the classroom early on. To investigate the feasibility of such an approach, a doctoral research project was set up and its results are presented in this dissertation. First, a learning unit on the subatomic structure of matter was developed, which aims to introduce 12-year-olds to elementary particles and fundamental interactions (Wiener et al., 2015). This unit was iteratively developed by means of a design-based research project and the technique of probing acceptance was used in one-on-one interview sessions to evaluate different adaptions of the unit. All interviews were filmed, transcribed in full, and a category-based content analysis was applied to the transcripts. After several iterations, which were tested with a total of 20 grade-6 students, the final version of the learning unit proved to be plausible for all students. Moreover, the promising results showed the unit’s key ideas and main concepts to be appropriate for evaluation in the physics classroom. In addition, the development of the learning unit gave rise to a detailed description of CERN’s Large Hadron Collider (LHC) as a prime example for the introduction of particle physics in the classroom (Wiener et al., 2016), and also led to the formulation of an alternative proposal for the graphical representation of anticolour charge (Wiener et al., accepted). Next, the research focus was shifted towards the perspective of teachers to further explore the didactical feasibility of the learning unit. In doing so, a follow-up study was designed to again probe acceptance of the learning unit with a set of 17 grade-6 students (Wiener et al., submitted1). This time, however, the research was conducted by instructed physics teachers to also document their evaluation of the unit’s key ideas. Here, the findings of the follow-up study validated the results from the initial study, as all students evaluated the learning unit to be plausible and meaningful, while demonstrating substantial understanding of the unit’s key ideas. Furthermore, the teachers’ feedback was very positive and showed the learning unit to be well well-suited for use in the classroom. Thus, the development of the learning unit was concluded successfully and to support its dissemination among teachers, a detailed summary of the unit’s key ideas and main concepts was created (Wiener et al., submitted2). Last, the focus of the doctoral research project was shifted one more time to investigate the potential of the technique of probing acceptance as an effective tool for teachers’ professional development. Indeed, during the follow-up study, the teachers’ feedback hinted at influences of their pedagogical content knowledge (PCK) about elementary particle physics. Hence, an explorative study was set up to examine the effect on teachers’ PCK when preparing and executing interview sessions based on the technique of probing acceptance (Wiener et al., submitted3). Here, promising findings could be documented as well, hinting especially at influences of teachers’ knowledge of learners and knowledge of instructional strategies. Thus, the results of the explorative study strongly suggested that the transformation of the technique of probing acceptance into a tool for teacher training merits further research. Overall, the doctoral research project led to successful results and showed the topic of elementary particle physics to be a viable candidate for introducing modern physics in the classroom. Furthermore, thanks to the design-based research methodology, the respective findings have implications for both physics education and physics education research, which are discussed in the final chapter of this dissertation.

Autor*innen

Gerfried Wiener

Haupttitel (Englisch)

Elementary particle physics in early physics education

Paralleltitel (Deutsch)

Elementarteilchenphysik im Anfangsunterricht

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

160 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Martin Hopf

Klassifikationen

33 Physik > 33.04 Ausbildung, Beruf, Organisationen ,

33 Physik > 33.29 Moderne Physik: Sonstiges ,

33 Physik > 33.30 Atomphysik, Molekülphysik ,

33 Physik > 33.46 Hochenergie-Kernphysik ,

33 Physik > 33.50 Physik der Elementarteilchen und Felder: Allgemeines ,

33 Physik > 33.56 Elementarteilchenphysik

AC Nummer

AC13695207

Utheses ID

41103

Studienkennzahl

UA | 791 | 411 | |

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