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Die Rolle von Schülervorstellungen zu Wahrscheinlichkeit und Zufall im naturwissenschaftlichen Kontext
Alexandra Theresia Jansky
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
Martin Hopf
DOI
10.25365/thesis.60369
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25104.34573.673077-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In vielen Bereichen der Wissenschaft spielen Zufall und Wahrscheinlichkeit eine große Rolle. Insbesondere bei quantenmechanischen Phänomenen, wie zum Beispiel dem Zerfall eines instabilen Atomkerns, können lediglich Wahrscheinlichkeitsaussagen getroffen werden. Aus früheren Studien zum Beispiel aus der Mathematikdidaktik und Psychologie ist bekannt, dass Jugendliche Probleme haben, zufällige Prozesse zu verstehen. Diese Verständnisprobleme könnten einen Einfluss auf das Verständnis zufallsbasierter physikalischer Prozesse haben. Ausgangspunkt dieser Arbeit war die fachdidaktische Frage, ob Schülervorstellungen zu Wahrscheinlichkeit und Zufall auch im naturwissenschaftlichen Kontext zu finden sind. Diese Fragestellung wurde mit den folgenden Schritten untersucht:
Im Rahmen der didaktischen Rekonstruktion wird zunächst geklärt, was Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Wahrscheinlichkeitstheorie und Zufall verstehen und welche Themen in der Physik in Hinblick auf Wahrscheinlichkeitstheorie relevant sind. Dazu wurden zehn Physikerinnen und Physiker mittels Delphi-Studie befragt. Es zeigt sich, dass Zufall und Wahrscheinlichkeit in der Radioaktivität als relevant erachtet wird.
Zur Erhebung der Lernendenperspektive werden Schülervorstellungen zu Wahrscheinlichkeit und Zufall sowie zu ausgewählten Themen der Physik zusammengefasst. Um den Einfluss aus der Literatur bekannter Schülervorstellungen zum Zufall auf das Verständnis teilchenphysikalischer Prozesse zu untersuchen, wurden 33 Interviews mit 16 bis 19-jährigen deutschsprachigen Schülerinnen und Schüler durchgeführt und inhaltsbasiert analysiert. Es wurde entdeckt, dass Jugendliche aus der Literatur bekannte Schülervorstellungen zu Wahrscheinlichkeit und Zufall auch in naturwissenschaftlichen Kontexten, zum Beispiel zum Thema Radioaktivität, äußern.
Basierend auf diesen Ergebnissen entstand eine Lehr-Lern-Einheit zur Wahrscheinlichkeitstheorie im Kontext Radioaktivität. Es wurde erforscht, ob es gelingt, Radioaktivität mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitstheorie so einzuführen, dass Jugendliche den Zerfall eines instabilen Atomkerns verstehen und akzeptieren. Die Lehr-Lern-Einheit wurde im Rahmen fachdidaktischer Entwicklungsforschung in mehreren Zyklen erarbeitet. Insgesamt wurden drei Iteratio-nen durchgeführt und die jeweilige Version der Lehr-Lern-Einheit mit Hilfe der Akzeptanzbefragung evaluiert. Es wurden insgesamt 14 Einzelinterviews mit 17 bis 18-jährigen deutsch-sprachigen Jugendlichen durchgeführt. Alle Interviews wurden gefilmt, transkribiert und mittels qualitativer Inhaltsanalyse ausgewertet. Die finale Lehr-Lern-Einheit wurde von den teilnehmenden Jugendlichen als adäquat und plausibel erachtet.
Zusammenfassend zeigt das Dissertationsprojekt, dass Schülervorstellungen zu Wahrschein-lichkeit und Zufall im naturwissenschaftlichen Kontext eine Rolle spielen. Es wurde entdeckt, dass Jugendlichen aufgrund der Zufälligkeit des Zerfalls instabiler Atomkerne Verständnisprobleme aufweisen. Die Ergebnisse belegen die Machbarkeit einer angemessenen und plausiblen Einführung der Radioaktivität mittels Wahrscheinlichkeitstheorie.
Abstract
(Englisch)
Randomness and probability play a big role in many areas of science. For example, probabilistic statements can only describe quantum mechanical phenomena, such as the decay of an unstable atomic nucleus. It is known that adolescents have problems understanding random processes from previous studies in mathematics education research and psychology. These problems of understanding could also have an impact on the understanding of random physical processes.
The starting point of this work was the question of whether students' ideas on probability and randomness can also be found in the context of natural sciences. The following steps examined this question:
In the framework of educational reconstruction, it was first clarified what scientists understand by probability theory and randomness and which topics in physics are relevant in terms of probability theory. Ten physicists were participating in a Delphi study. It shows, among other things, that randomness and probability in radioactivity are considered relevant.
To survey the perspective of students, ideas about probability and randomness, as well as selected topics of physics are summarized. To investigate the influence of well-known students’ ideas on randomness on the understanding of particle physics processes, 33 inter-views were carried out with 16 to 19-year-old German-speaking students and content-based analyzed. It turns out that student express students conceptions on probability and randomness known from literature even in scientific contexts, for example in the context of radio-activity.
Based on these results, a teaching unit on probability theory in the context of radioactivity was developed. It was explored whether radioactivity can be introduced with the help of probability theory in such a way that students understand and accept the decay of an unstable atomic nucleus. The teaching unit was developed within the scope of Design-Based research in several cycles. In total, three iterations were carried out and the respective version of the teaching unit was evaluated with the help of an acceptance survey. A total of 14 one-on-one interviews were conducted with 17- to 18-year-old German-speaking students. All interviews were filmed, transcribed and evaluated with the methods of qualitative content analysis. The final teaching unit was considered by the participating students to be both adequate and plausible.
In summary, students’ views on probability and randomness play a role in the scientific context. It has been discovered that students have problems understanding the decay of unstable atomic nuclei due to its random nature. The results also demonstrate the feasibility of an adequate and plausible introduction to radioactivity using probability theory.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
students' conceptions randomness probability radioactivity teaching unit educational reconstruction
Schlagwörter
(Deutsch)
Schülervorstellungen Zufall Wahrscheinlichkeit Radioaktivität Lehr-Lern-Einheit Didaktische Rekonstruktion
Autor*innen
Alexandra Theresia Jansky
Haupttitel (Deutsch)
Die Rolle von Schülervorstellungen zu Wahrscheinlichkeit und Zufall im naturwissenschaftlichen Kontext
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
303 Seiten : Diagramme
Sprache
Deutsch
Beurteiler*in
Martin Hopf
AC Nummer
AC15728497
Utheses ID
53348
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |