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Students' types of interest in physics revisited
Sarah Maria Zöchling
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Martin Hopf
DOI
10.25365/thesis.74729
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17648.28854.332010-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Interesse von Schüler*innen an Physik zu fördern ist ein wesentlicher Bestandteil des Physikunterrichts. Frühere empirische Studien haben das Interesse der Schüler*innen an Physik hauptsächlich in Form von Kategorien interessanter Inhalte und Kontexte beschrieben und sich auf Unterschiede zwischen weiblichen und männlichen Schüler*innen konzentriert. Eine wichtige Studie, die IPN Interessenstudie Physik, führte die Interessentypen der Schüler*innen an Physik ein. Frühere Studien berücksichtigen jedoch keine Inhaltsbereiche der modernen Physik, wie beispielsweise die Teilchenphysik. Außerdem wurde in der IPN-Studie nicht beschrieben, wie interessant verschiedene Kontexte relativ zueinander für die verschiedenen Interessentypen der Schüler*innen sind. Darüber hinaus stehen andere Schüler*innenmerkmale, wie beispielsweise das physikbezogene Selbstkonzept, selten im Mittelpunkt der Forschung. Für die physikdidaktische Forschung stellen sich daher drei wichtige Fragen: In welche verschiedenen Interessentypen lassen sich Schüler*innen einteilen, wenn zusätzlich Teilchenphysik als Inhaltsbereich der modernen Physik berücksichtigt wird? Wie interessant sind verschiedene Kontexte relativ zueinander innerhalb dieser Interessentypen? Und lassen sich die Interessentypen besser beschreiben, wenn man auf das physikbezogene Selbstkonzept als Schüler*innenmerkmal anstelle des Geschlechts fokussiert? Im Rahmen dieses Promotionsprojekts wurden zwei physikdidaktische Studien durchgeführt, um diese drei Fragen beantworten zu können. In der ersten Studie wurde ein Messinstrument für Interesse an Teilchenphysik (Instrument to measure Particle Physics Interest, IPPI) entwickelt, da Studien über den Zusammenhang zwischen Interesse und anderen Bildungsaspekten, wie etwa Leistung und Selbstkonzept, den Einsatz psychometrisch fundierter Messinstrumente erfordern. Basierend auf den Ergebnissen früherer empirischer Studien wurden das Interesse an Teilchenphysik und Verhaltensweisen definiert, die verschiedenen Graden von Interesse an Teilchenphysik entsprechen. Darauf aufbauend wurde eine Konzeptualisierung des Interesses von Schüler*innen an Teilchenphysik in Form einer Hierarchie von Interessensstufen vorgeschlagen. Anschließend wurde das IPPI entwickelt, bestehend aus 11 Rating Scale-Items, die verschiedene Grade des latenten Merkmals „Interesse an Teilchenphysik“ messen. Es wurde eine neue, schrittweise und reproduzierbare Methode vorgeschlagen und angewandt, um mithilfe einer Rasch-Analyse Items aus einem anfänglichen Item-Pool auszuwählen. Das IPPI wurde zuerst in Interviews mit der Methode „Lautes Denken“ getestet und danach in einem Feldtest mit 99 deutschsprachigen Schüler*innen der 9. Schulstufe validiert. Eine Rasch-Analyse erbrachte Evidenzen für die Inhalts-, Konstrukt-, statistische und Fitvalidität des IPPI. Basierend auf der Item-Hierarchie, die aus der Rasch-Analyse resultierte, wurde die vorgeschlagene Konzeptualisierung des Interesses von Schüler*innen an Teilchenphysik in Form einer Hierarchie von Interessensstufen überarbeitet. Insbesondere konnte jede Interessensstufe mit bestimmten Kontexten der Teilchenphysik assoziiert werden. So wurde beispielsweise gezeigt, dass Schüler*innen auf der Stufe des offenen Interesses an Teilchenphysik interessiert sind, wenn sie in Alltagskontexten präsentiert wird. Insgesamt führte diese erste Studie zur erfolgreichen Entwicklung des IPPI und zur Konzeptualisierung des Interesses von Schüler*innen an Teilchenphysik in Form einer Hierarchie von Interessensstufen. Danach konnte die Hauptstudie, eine Kohortenquerschnittsstudie mit deutschsprachigen Schüler*innen im Alter von 14 bis 16 Jahren (N = 1219), durchgeführt werden. Das Interesse der Schüler*innen an Mechanik und Teilchenphysik wurde mit dem Messinstrument für Interesse an Mechanik aus der IPN-Studie und dem IPPI erfasst. Darüber hinaus wurden verschiedene Schüler*innenmerkmale, wie etwa das physikbezogene Selbstkonzept, das Geschlecht und die Erfahrung mit dem Inhaltsbereich in der Schule, gemessen. Das Hauptziel dieser Studie war es, die Interessenstypen der Schüler*innen an Physik und ihre Assoziierung mit verschiedenen Schüler*innenmerkmalen zu untersuchen. Für die Mechanik wurde auch der Einfluss des Einführungstextes analysiert, indem die Schüler*innen zufällig zwei verschiedenen Versionen des Fragebogens zugeordnet wurden. Die erhobenen Daten zum Interesse und Selbstkonzept der Schüler*innen wurden mit Mixed Rasch-Modellen analysiert, um qualitative Unterschiede in den gemessenen Konstrukten zwischen verschiedenen Gruppen von Schüler*innen aufzudecken. Außerdem wurden beim Interpretieren der Ergebnisse der Mixed Rasch-Analyse Differential Item Functioning und das Antwortverhalten der Schüler*innen berücksichtigt. Die Hauptstudie zeigte, dass die meisten Schüler*innen in beiden Inhaltsbereichen einem einzigen Interessentyp zugeordnet werden können (86 % der Schüler*innen in Mechanik bzw. 79 % der Schüler*innen in Teilchenphysik). Schüler*innen dieses Interessenstyps waren nur an Physik in den bestimmten Kontexten interessiert. Schüler*innen, die an der Physik der Bewegung von Fahrzeugen interessiert sind, formten den zweiten Typ des Interesses an Mechanik (14 % der Schüler*innen). Der zweite Typ des Interesses an Teilchenphysik wurde als „Teilchenphysikliebhaber*innen“ bezeichnet, um ihr Interesse an Teilchenphysik als Inhaltsbereich und als Forschungsdisziplin widerzuspiegeln (21 % der Schüler*innen). Für beide Inhaltsbereiche konnte am besten beschrieben werden, zu welchem Interessentyp Schüler*innen gehören, mit einem Modell, das sowohl den Grad des physikbezogenen Selbstkonzepts als auch das Geschlecht der Schüler*innen umfasst. Um zu beschreiben, wie interessant verschiedene Kontexte relativ zueinander für den ersten Interessentyp der Schüler*innen (d.h. für die meisten Schüler*innen in Mechanik und Teilchenphysik) sind, konnte die Konzeptualisierung des Interesses in Form einer Hierarchie von Interessenstufen der Schüler*innen angewandt werden, obwohl sie in der ersten Studie ursprünglich nur für Teilchenphysik entwickelt worden war. Deshalb wurde die Konzeptualisierung des Interesses von Schüler*innen in Form einer Hierarchie von Interessensstufen als Empfehlung für Physik im Allgemeinen vorgeschlagen (hierarchy of levels of interest in physics, HOLIP). Die Studie zeigte auch, dass die Erfahrung mit dem Inhaltsbereich in der Schule und das Interesse der Schüler*innen an diesem Inhaltsbereich für den ersten Interessentyp von Schüler*innen korrelieren. Außerdem gab es keinen signifikanten Unterschied im Grad des Interesses der Schüler*innen an Mechanik, der mit dem Einsatz von verschiedenen Versionen des Einführungstextes zur Mechanik zusammenhing. Insgesamt führte das Promotionsprojekt zur erfolgreichen Entwicklung des Messinstruments für Interesse an Teilchenphysik (Instrument to measure Particle Physics Interest, IPPI). Es wurde gezeigt, dass die meisten Schüler*innen einem einzigen Interessentyp an Physik zugeordnet werden können und dass das Interesse dieser Schüler*innen mit der Konzeptualisierung des Interesses an Physik in Form einer Hierarchie von Interessensstufen (hierarchy of levels of interest in physics, HOLIP) beschrieben werden kann. Außerdem wurde gezeigt, dass die Interessentypen am besten mit Modellen charakterisiert werden können, die das physikbezogene Selbstkonzept zusätzlich zum Geschlecht beinhalten. Die Ergebnisse dieses Promotionsprojekts haben Implikationen sowohl für den Physikunterricht als auch für die physikdidaktische Forschung. Pädagogen, wie beispielsweise Lehrer*innen, können die Konzeptualisierung des Interesses (HOLIP) als Tool nutzen, um Lernaktivitäten zu entwickeln, die für Schüler*innen mit unterschiedlichen Graden von Interesse und physikbezogenem Selbstkonzept interessant sind. Für die physikdidaktische Forschung schlägt die erste Studie eine neue, schrittweise und reproduzierbare Methode vor, um Items aus einem anfänglichen Item-Pool mithilfe einer Rasch-Analyse auszuwählen. Die Hauptstudie schlägt vor, eine Mixed Rasch-Analyse zu verwenden, um qualitative Unterschiede in einem gemessenen Konstrukt, wie beispielsweise Interesse und Selbstkonzept, zwischen verschiedenen Gruppen von Schüler*innen aufzudecken, sowie Differential Item Functioning und das Antwortverhalten der Schüler*innen beim Interpretieren der Ergebnisse einer Mixed Rasch-Analyse zu berücksichtigen.
Abstract
(Englisch)
Fostering students’ interest in physics is a crucial part of physics education. Past empirical studies mainly described students’ interest in physics in terms of categories of interesting content and contexts and focused on differences between female and male students. One important past empirical study, the IPN interest study, introduced students’ types of interest in physics. Yet, past studies did not include modern physics content areas, such as particle physics. Moreover, the IPN study did not describe how interesting different contexts are relative to each other within the students’ different types of interest. In addition, other student characteristics, such as physics-related self-concept, are rarely the focus of research. Therefore, physics education research is faced with three important questions, namely (1) into which different types of interest in physics can students be categorised while additionally considering particle physics as a modern physics content area, (2) how interesting are different contexts within these interest types, and (3) are the interest types described better focussing on physics-related self-concept as student characteristics compared to sex. This doctoral research project set up to provide evidence for answering these three questions by conducting two studies on physics education. In the first study an instrument to measure students’ particle physics interest (IPPI) was developed, since studies on the relationship between interest and other aspects of education, such as achievement and self-concept, require the use of psychometrically sound measurement instruments. Using the findings of past empirical research, interest in particle physics was defined and behaviours that correspond to being interested in particle physics were identified. Based on these definitions, a conceptualisation of students’ interest in particle physics as a hierarchy of levels of interest in particle physics was proposed. Then, the IPPI was developed using rating scale items that assessed different degrees of being interested in particle physics. A novel approach was suggested and applied to conducting a Rasch analysis for selecting items from an initial item pool in a clear, stepwise, and reproducible way. The IPPI was tested in student think-aloud interviews and validated in a field test with 99 German-speaking grade 9 students. Evidence supporting the content, construct, statistical, and fit validity of the IPPI was provided by a Rasch analysis. Based on the item hierarchy revealed by the Rasch analysis the hypothesised hierarchy of students’ levels of interest in particle physics was revised. Each level could be associated with different contexts of particle physics. For example, it was found that students at a certain level of interest (so-called ‘open interest’) were interested in particle physics when it was set in an everyday life context. Overall, this first study led to the successful development of the IPPI and the conceptualisation of students’ interest in particle physics as a hierarchy of levels of interest in particle physics. Second, the main study was conducted, a cross-cohort study with German-speaking students aged 14 to 16 years (N = 1219). Students’ interest in mechanics and particle physics was assessed using the instrument to measure mechanics interest from the IPN study and the IPPI. In addition, different student characteristics, such as their physics-related self-concept, sex, and previous experience with the content areas in school, were assessed. The main aim of this study was to investigate students’ types of interest in physics and their association with different student characteristics. For mechanics, the influence of the introductory text was also analysed by randomly assigning the students to two different versions of the questionnaire. The collected data on students’ interest and self-concept, was analysed using mixed Rasch models to unveil qualitative differences in the assessed constructs between different groups of students. Moreover, when interpreting the results of the mixed Rasch analyses, differential item functioning as well as students’ response styles were considered. The main study showed that most students can be categorised into one single type of interest in both content areas (86% of the students in mechanics and 79% of the students in particle physics, respectively). For both content areas, students of this first interest type are only interested in physics content set in certain contexts, for example, the context ‘one’s own body’. For mechanics, the second type of interest comprises students who are relatively more interested in physics relating to the motion of cars (14% of the students); and for particle physics, the second type of interest was referred to as the ‘particle physics lovers’ reflecting their relatively higher interest in particle physics as a content area and as a scientific endeavour (21% of the students). It was found that whether students belong to one or the other type of interest in both content areas can best be described with a model comprising their degree of physics-related self-concept and their sex. The conceptualisation of interest as a hierarchy of students’ levels of interest, originally introduced for particle physics only in the first study, was successfully applied to describe the relative interestingness of different contexts for the first type of interest (i.e. the vast majority of students) in both content areas. Hence, the conceptualisation was suggested as a guideline for physics in general and renamed ‘hierarchy of students’ levels of interest in physics’ (HOLIP). The study also showed that previous experience in school with mechanics and particle physics, respectively, is correlated with students’ interest in this particular content area for the first type of interest. Finally, it showed that there was no significant difference in students’ degree of interest in mechanics associated with the use of different versions of the introductory text on mechanics. In sum, the doctoral research project led to the successful development of the IPPI (instrument to measure students’ particle physics interest). It showed that most students can be categorised into one single type of interest in physics and that their interest can be described using the HOLIP (hierarchy of levels of interest in physics). Moreover, it showed that the interest types can be described best using models that include physics-related self-concept in addition to sex. The results of this doctoral research project have implications for both physics education and physics education research. Educators, such as teachers, can use the HOLIP as a tool to develop learning activities that are interesting for students with different degrees of interest in physics and physics-related self-concept. For physics education research the first study suggests a novel approach to conducting a Rasch analysis for selecting items from an initial item pool in a clear, stepwise, and reproducible way. The main study supports conducting a mixed Rasch analysis to unveil qualitative differences in an assessed construct, such as interest and self-concept, between different groups of students. Moreover, it provides a strong case for considering differential item functioning as well as the students’ response styles when interpreting the results of a mixed Rasch analysis.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Interesse Physikdidaktik physikbezogenes Selbstkonzept Hierarchie von Interessensstufen Instrumententwicklung Mixed Rasch Modell Rasch Modell Logistische Regression Vorerfahrung in der Schule Kontext
Schlagwörter
(Englisch)
Interest physics education physics-related self-concept hierarchy of interest levels instrument development mixed Rasch model Rasch model logistic regression previous experience in school context
Autor*innen
Sarah Maria Zöchling
Haupttitel (Englisch)
Students' types of interest in physics revisited
Paralleltitel (Deutsch)
Die Interessenstypen von Schüler*innen an Physik neu betrachtet
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
viii, 203 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Hans Ernst Fischer ,
Giulia Tasquier
AC Nummer
AC16990787
Utheses ID
67112
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |