Projektleitung: Barbara Gränz und Florian Leupold
Institution: Kantonsschule Uster
Kontakt: florian.leupold@ksuster.ch

Zufallsgenerierte Aufgaben für entdeckendes Lernen, Üben und Prüfen in Physik

Zufallsübungen Physik

Beschreibung

Im Physikunterricht erwarten die Schülerinnen und Schüler (SuS) vielfältige Herausforderungen. Einerseits gehören dazu der Aufbau prozeduralen Wissens wie das flexible Wechseln zwischen unterschiedlichen Repräsentationsformen (Diagrammen, Skizzen, Messwerttabellen und mathematischen Formeln) sowie der korrekte Umgang mit algebraischen Ausdrücken und numerischen Grössen (wie Proportionalitäten, Potenzen, Brüchen, signifikante Stellen, aber auch der sichere Umgang mit dem Taschenrechner). Leider steht im Physikunterricht nur sehr beschränkt Zeit zum Repetieren und Üben zur Verfügung. Zudem unterscheiden sich die Kompetenzniveaus der SuS stark. Wünschenswert ist daher das Schaffen effektiver, individualisierter und leistungsdifferenzierender Lernumgebungen mit sofortigem Feedback.

Andererseits sind in Physik Abstraktion, Modellbildung und Konzeptwandel zentral. Die SuS sollen lernen, im Speziellen einer konkreten Naturbeobachtung das für die Modellbildung wesentliche Abstrakte zu erkennen. Konfrontiert mit Erkenntnissen, welche mit ihren bisherigen (Fehl-)Vorstellungen konfligieren, sollen sie letztere idealerweise an moderne, wissenschaftliche Konzepte anpassen. Die Lehr-/Lernforschung zeigt, dass dies ein äusserst träger Prozess ist, der im konstruktivistischen Sinne von jeder SuS individuell aktiv bewältigt werden muss. Hier helfen geschickt entwickelte Aufgaben, welche inkrementellen Fortschritt ermöglichen und zum individuellen Üben motivieren.

Mit digitalen Mitteln konnten wir bereits Pilotprojekte zu den beiden genannten Aspekten umsetzen. Dafür nutzen wir auf der Lernplattform Moodle den Fragetyp Formulas und erstellen auf zufallsgenerierten Parametern basierende Aufgaben mit numerischem oder Multiple-Choice-Input. Beliebig viele solcher Aufgaben können zu Übungsserien, Lernkontrollen oder auch Prüfungen kombiniert werden. Die SuS können dann je nach Bedarf an wiederkehrenden Aufgaben ähnlicher Natur, aber unterschiedlicher Ausprägung, üben, bevor sie zur nächsten Aufgabe weitergehen. Darüber hinaus lassen sich in Formulas interaktive Grafiken mit der JavaScript-Bibliothek JSXGraph3 einbinden, was den Möglichkeitsraum auf zufällig erstellte und sogar manipulierbare Diagramme, Zeichnungen, Konstruktionen und Simulationen stark erweitert. Je nach Anwendung können die SuS zum Beispiel grafische Elemente «anfassen» und damit Simulationen beeinflussen oder nach gestellten Kriterien verändern, mit sofortigem Feedback zu ihrer Lösung.

Didaktisch-methodisches Konzept

Wir sehen, beobachten und erwarten im Wesentlichen drei Vorteile beim beschriebenen Einsatz digitaler Medien im Unterricht. Erstens können den SuS Aufgaben mit vielfältigen Eingabemethoden und sofortigem Feedback zu ihren Lösungen gestellt werden, was sich für eine ganze Klasse normalerweise praktisch nicht realisieren lässt. Dass die Aufgaben auf zufällig generierten Parametern basieren, bedeutet zweitens, dass die SuS einen Aufgabentyp beliebig oft wiederholen können, aber auch, dass sich die SuS im Lernprozess gerade nicht nur über Lösungswerte, sondern über Lösungswege austauschen. Die SuS können dabei selber ihr Voranschreiten steuern. Manchen helfen mehrere Wiederholungen und andere sehen sich angespornt, so schnell und weit wie möglich zu kommen. Beides fördert eine positive Wahrnehmung der Selbstwirksamkeit. Drittens erlaubt die automatische Korrektur der Aufgaben einer Lehrperson, ohne bedeutenden Mehraufwand, mehr Aufgaben für Assessments heranzuziehen und auf sich abzeichnende Schwierigkeiten individuell oder im Klassenverband einzugehen.

Wirkung

Im Rahmen des zur Förderung durch den Innovationsfonds vorgeschlagenen Projekts würden wir gerne umfangreichere Lehrmittel mit den genannten Werkzeugen erstellen. Diese sollen sich von innovativen Aufgabenserien zum Üben über simulationsbasierte Lernaufgaben bis hin zu virtuellen Experimenten zum entdeckenden Lernen erstrecken. Umfangreicher als das normale Erstellen von Unterrichtsmaterial ist unser Vorhaben, weil wir erstens komplexere Simulationen und virtuelle Experimente methodisch-didaktisch entwickeln und programmieren möchten und zweitens neben Formulas auch den Fragetyp STACK4 verwenden wollen. Simulationen und virtuelle Experimente sind eine sinnvolle Ergänzung physischer Experimente. Die Lehrperson kann einen passenden Abstraktionsgrad wählen und den SuS wird erlaubt, sich ohne Ablenkung (durch z.B. das Beschaffen und Zusammensetzen von Experimentiermaterial und ggf. der Einhaltung von Schutzmassnahmen) auf die wesentlichen physikalischen Zusammenhänge und Konzepte zu konzentrieren. Der Fragetyp STACK ist für uns von Interesse, weil er einerseits mithilfe eines Computer-Algebra-Systems die Auswertung algebraischer Ausdrücke ermöglicht und andererseits durch beliebig komplizierte sogenannte Potential Responses Trees detailliertes individuelles Feedback zu den Schülerantworten erlaubt. Leider machen genau diese erweiterten Möglichkeiten auch das Programmieren aufwendiger.

Konkrete Themen für zufallsgeneriertes Lernmaterial, welche wir bereits ins Auge gefasst haben und gerne als erstes umsetzen möchten, wären das elektrostatische Feld von Punktladungen, Kraft und Energie am Federpendel, das Gravitationsfeld, die schiefe Ebene, der Auftrieb und der schiefe Wurf.

 

SAMR-Modell

Erläuterung zum SAMR-Modell.

Im SAMR-Modell kann das vorliegende Projekt im Bereich "Redefinition" eingereiht werden, ermöglichen die Simulationsaufgaben doch einen interaktiven und individuellen Zugang mit raschem Feedback, wie es analog in der gleichen Weise nicht möglich wäre.

 

Und sonst?

Die von uns zu erstellenden Lehrmittel als «Produkt» dieses Projekts basieren ausschliesslich auf frei verfügbarer Software (Moodle samt Formulas, STACK und JSXGraph). Alle Kantonsschulen im Kanton Zürich haben bereits Zugriff auf Moodle oder können über das MBA einen Zugang bekommen. Da sich Aufgaben und Aufgabensammlungen in Moodle sehr leicht exportieren und wieder einbinden lassen, steht einer Weitergabe des von uns erarbeiteten Lehrmaterials an weitere Lehrpersonen nichts im Wege.

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    Pfalzgraf Wolfgang · Vor 3 Monaten
    Das tönt spannend. Wie komme ich da an die konkreten Aufgaben, damit ich die mal bei uns an der Schule (BMS Winterthur) auf OpenOlat testen kann?
    Wolfgang Pfalzgraf
Intro Animation Züri Wappen