Detailansicht
Enhancing electricity education in Austrian high schools
a quantitative study
Rainer Julian Wachter
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Lehramt Sek (AB) Unterrichtsfach Mathematik Unterrichtsfach Physik
Betreuer*in
Martin Hopf
Mitbetreuer*in
Esmeralda Campos Munoz
DOI
10.25365/thesis.81750
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18369.60700.127741-5
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit dem abstrakten Konzept des elektrischen Feldes und seiner Implementation in den Physikunterricht. Gegenwärtig wird das elektrische Feld in österreichischen Schulbüchern fast ausschließlich mithilfe der Feldliniendarstellung betrachtet. Dadurch wird der Wechsel zwischen verschiedenen Darstellungsformen erschwert und das Fortbestehen von Lernendenvorstellungen begünstigt. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, ist eine neues Teaching-Learning Environment (TLE) im Rahmen eines Design-Based Research (DBR) Projektes entwickelt worden. Dieses basiert auf dem BSCS 5E Instructional Model, und setzt sich die aktive Adressierung von Lernendenvorstellungen zum Ziel. Innerhalb von fünf Unterrichtseinheiten werden die drei semiotischen Repräsentationen des elektrischen Feldes (Vektorfelddarstellung, Feldliniendiagramm, algebraische Darstellung) behandelt, sowie die Konvertierung zwischen diesen Darstellungen durchgeführt. Diese Intervention ist an drei österreichischen Gymnasien realisiert worden, wobei die Stichprobe N = 135 Schüler*innen umfasst hat. Die Studie folgt dabei dem quasi-experimentelle One-Group Pretest-Posttest Design. In der Auswertung der Daten hat sich gezeigt, dass das TLE insgesamt zu einem Normalized Learning Gain von g = 0, 34 geführt hat. Dieser Lernerfolg liegt nachweislich über jenem, der von traditionellem Frontalunterricht erreicht wird. Zudem konnten einige Lernendenvorstellungen durch die Intervention fast vollständig abgebaut werden, während andere erst gar nicht aufgetreten sind. Ein weiterer positiver Effekt liegt darin, dass leistungsschwächere Schüler*innen im Durchschnitt die höchsten Lernzuwächse erzielt haben. Dahingehend besitzt das TLE eine ausgleichende Wirkung. Abseits von diesen Effekten hat sich allerdings auch gezeigt, dass nicht alle Darstellungsformen des elektrischen Feldes gleich gut angenommen worden sind. Während die visuellen Darstellungsformen auf einem qualitativen Niveau zu konstant guten Ergebnissen geführt haben, hat die algebraische Repräsentation schlechter abgeschnitten. Es hat sich gezeigt, dass die größten Problemfelder der Lernenden in der quantitativen Betrachtung des Superpositionsprinzips und im Umgang mit der algebraischen Darstellung liegen. Diese beiden Punkte bieten somit wichtige Aspekte, die in einem zukünftigen Redesign berücksichtigt werden sollten. Für den Physikunterricht kann daraus abgeleitet werden, dass die Verwendung multipler Repräsentation zu einem höheren Lernerfolg beiträgt. Abseits der Feldliniendarstellung sollten auch die Vektorfeld- und die algebraische Repräsentation im Unterricht behandelt werden, um den Lernenden echte kognitive Synergie zu ermöglichen.
Abstract
(Englisch)
This master’s thesis deals with the abstract concept of the electric field and its implementation in physics education. Currently, Austrian textbooks mainly use the field line representation to deal with the electric field. This hinders the conversion between different representational forms and fosters the persistence of student conceptions. To counteract this circumstance, a new Teaching-Learning Environment (TLE) has been developed as part of a Design-Based Research (DBR) project. It is based on the BSCS 5E Instructional Model and aims to actively address student conceptions. Within five instructional units, the three semiotic representations of the electric field (vector field plot, field line diagram, and algebraic representation) are discussed, and conversions between these representations are performed. This intervention was implemented in three Austrian upper secondary schools, with the sample comprising N = 135 students. The study follows a quasi-experimental one-group pretest-posttest design. The evaluation of the data has shown that the TLE led to an overall normalized learning gain of g = 0.34, which is demonstrably higher than that achieved in traditional instruction. Furthermore, some well-known student conceptions were able to be reorganized, while others did not appear at all. Additionally, students with lower pretest-scores showed the highest learning gains on average. In this regard, the TLE did have an equalizing effect. Apart from these effects, it also became apparent that not all representations of the electric field were accepted in the same way. While the visual representations led to consistently good results on a qualitative level, the algebraic representation showed worse performance. The students’ greatest problem areas persisted in the quantitative evaluation of the superposition principle and in the use of the algebraic representation. Thus, these two points provide important aspects that should be considered in future redesigns. In the context of physics education, it can be concluded that the use of multiple representations leads to greater learning gains. In addition to the field line representation, the vector field plot and the algebraic representation should also be covered in class to foster genuine cognitive synergy among learners.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Elektrisches Feld Multiple Repräsentationen Physikunterricht Lernendenvorstellungen Design-Based Research Feldliniendiagramm Vektorfelddarstellung Algebraische Darstellung Simulationen Superpositionsprinzip Lernzuwachs
Schlagwörter
(Englisch)
Electric field Multiple representations Physics education Student conceptions Design-Based Research Field line diagram Vector field plot Algebraic representation Simulations Superposition principle Learning gain
Autor*innen
Rainer Julian Wachter 
Haupttitel (Englisch)
Enhancing electricity education in Austrian high schools
Hauptuntertitel (Englisch)
a quantitative study
Paralleltitel (Deutsch)
Weiterentwicklung des Elektrizitätsunterrichts an allgemeinbildenden höheren Schulen in Österreich
Paralleluntertitel (Deutsch)
eine quantitative Studie
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
V, 121 Seiten
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Martin Hopf
Klassifikation
33 Physik > 33.16 Elektrizität. Magnetismus
AC Nummer
AC17973891
Utheses ID
81534
Studienkennzahl
UA | 199 | 520 | 523 | 02