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Students' understanding of emergent processes in physics within the context of the particulate nature of matter
Florian Budimaier
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: DissG: Physik
Betreuer*in
Martin Hopf
DOI
10.25365/thesis.76695
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18044.53964.361294-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Schüler:innen gehen häufig davon aus, dass Atome und Moleküle die selben Eigenschaften wie makroskopische Gegenstände haben. Beispielsweise stellen sie sich vor, dass sich bei der thermischen Ausdehnung eines Stoffes dessen Teilchen ebenfalls ausdehnen. Ursache für diese Vorstellung ist häufig die Anwendung der falschen ontologischen Kategorie: Schüler:innen sehen zwischen atomarer Ebene und Stoffebene einen direkt-kausalen anstatt eines emergenten Zusammenhangs. Letzterer beschreibt das Entstehen von Eigenschaften eines Systems aus dem Verhalten seiner Einzelteile, wobei sich die Eigenschaften der Teile von denen des Systems unterscheiden. Das Verständnis des Teilchenmodell setzt somit ein Verständnis von Emergenz voraus. Um Schüler:innen die emergente Natur des Teilchenmodells näher zu bringen, wurde in einem Design-based Research Projekt ein Lehr-Lern-Arrangement (LLA) entwickelt. Über vier Zyklen hinweg wurden zentrale Konzeptideen in Akzeptanzbefragungen mit insgesamt 60 Schüler:innen überprüft. Die Ergebnisse der qualitativen Inhaltsanalyse der Interview-Transkripte führten zur Formulierung themenspezifischer Designprinzipien. Dabei hat sich gezeigt, dass Schüler:innen bereits in der Sekundarstufe I in der Lage sind das grundlegende Prinzip von Emergenz zu verstehen. Darüber hinaus scheinen Kristallstrukturen besser für die Einführung des Teilchenmodells geeignet als viele der häufig dazu verwendeten Experimente. Ebenso bevorzugen Schüler:innen typografische Darstellungen gegenüber den meistens in Schulbüchern vorzufindenden kugelförmigen Darstellungen. Die finale Version des LLA wurde schließlich von vier Lehrpersonen in sechs Klassen mit insgesamt 130 Schüler:innen unterrichtet. Die Intervention umfasste vier Unterrichtsstunden und war von einem Pre- und Posttest begleitet. Die Tests enthielten sowohl offene als auch geschlossene Items, wobei sieben Aufgaben in beiden Tests ident waren. Mit Hilfe dieser sieben Aufgaben konnte über Signifikanztests (T-Test, Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test) der Einfluss der Intervention auf die Verwendung des Teilchenmodells durch die Schüler:innen ermittelt werden. In fünf der sechs Klassen verbesserte sich die Anwendung des Teilchenmodells im Posttest statistisch signifikant zum Pretest. Die größten Effektstärken zeigen sich hinsichtlich der Akzeptanz des leeren Raumes zwischen den Teilchen sowie der Verknüpfung von Teilchenbewegung und Temperatur. In Zusammenhang mit Phasenübergängen wandten Schüler:innen dagegen kaum das Teilchenmodell an. Am Ende der Intervention gaben alle teilnehmenden Lehrpersonen an, das LLA in ihrem zukünftigen Unterricht wieder einsetzen zu wollen.
Abstract
(Englisch)
Students often assume that atoms and molecules have the same properties as macroscopic objects. For example, they imagine that during the thermal expansion of a substance, its particles also expand. The reason for this is often the application of the wrong ontological category: students see a direct causal connection between the atomic level and the macroscopic level instead of an emergent connection. The latter describes how the properties of a system arise from the behavior of its parts, whereby the properties of the parts differ from those of the system. An understanding of the particulate nature of matter (PNM) therefore requires an understanding of emergence. To familiarize students with the emergent nature of the PNM, a teaching-learning sequence (TLS) was developed in a design-based research project. Over four cycles, key ideas were tested using the method of probing acceptance with a total of 60 students. The results of the qualitative content analysis of the interview transcripts led to the formulation of domain-specific design principles. This showed that students are already able to understand the basic principle of emergence in lower secondary school. In addition, crystal structures seem to be better suited for introducing the PNM than many of the commonly used experiments. Likewise, students prefer typographic representations to the spherical representations usually found in textbooks. The final version of the TLS was taught by four teachers in six classes with a total of 130 students. The intervention lasted four lessons and was accompanied by a pre- and posttest. The tests contained both open-ended and closed-ended items, whereby seven tasks were identical in both tests. With the help of these seven tasks, significance tests (t-test, Wilcoxon signed rank test) were used to determine the influence of the intervention on the students' use of the PNM. In five of the six classes, there was a statistically significant improvement in the use of the PNM in the posttest. The largest effect sizes were found concerning the acceptance of empty space between the particles and linking particle movement with temperature. In contrast, students hardly ever used the PNM in connection with phase transitions. At the end of the intervention, all participating teachers stated that they wanted to use the TLS again in their future lessons.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Physikunterricht Akzeptanzbefragung Design-based Research Teilchenmodell Emergenz
Schlagwörter
(Englisch)
physics education probing acceptance design-based research particulate nature of matter emergence
Autor*innen
Florian Budimaier
Haupttitel (Englisch)
Students' understanding of emergent processes in physics within the context of the particulate nature of matter
Paralleltitel (Deutsch)
Emergente Phänomene im Physikunterricht am Beispiel des Teilchenmodels
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
120 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Natasha Grace Holmes ,
Kristina Zuza
Klassifikationen
33 Physik > 33.99 Physik. Sonstiges ,
81 Bildungswesen > 81.61 Didaktik. Hochschuldidaktik
AC Nummer
AC17331619
Utheses ID
71096
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |