Lorenz Hucke HANDLUNGSREGULATION UND WISSENSERWERB IN TRADITIONELLEN UND COMPUTERGESTÜTZTEN EXPERIMENTEN DES PHYSIKALISCHEN PRAKTIKUMS Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Februar 1996 bis April 1999 am Lehrstuhl für Didaktik der Physik im Fachbereich Physik der Universität Dort- mund angefertigt. Sie wurde im Rahmen des Projekts ‘Labwork in Science Educa- tion‘ von der Europäischen Kommission gefördert (Projekt PL 95 2005). Ich bedanke mich herzlich bei Professor Dr. Hans E. Fischer für die Überlassung des Themas und für sein stetes Interesse an der Arbeit. Er war jederzeit ansprech- bar und offen für die Diskussion von Problemen und Fragestellungen, die sich im Laufe der Arbeit ergaben. Seine Kommentare regten immer wieder mich zur Selbstkritik an und lieferten zahlreiche Anregungen, die viel zum Gelingen der Ar- beit beigetragen haben. Herrn Priv.-Doz. Dr. Horst Schecker danke ich für die Übernahme des Korrefera- tes. Michaela Horstendahl, Kerstin Haller und Florian Sander gilt mein Dank dafür, dass sie jederzeit bereit waren, auf meine Fragen und Ideen einzugehen. Die lan- gen und fruchtbaren Diskussionen mit ihnen sind in vielfacher Weise in diese Ar- beit eingeflossen. Mein herzlicher Dank gilt auch Prof. Dr. Hans Niedderer für sein Interesse an der Arbeit und wertvolle Anregungen. Bei Dr. Joachim Vogt und Dipl.-Psych. Hartwig Fuhrmann bedanke ich mich herzlich für die Hilfestellung in methodischen Fragen. Stefan Hees und Gunnar Staniczek danke ich für die Übernahme der Transkripte und die Hilfe bei der Entwicklung der Auswertungsinstrumente, sowie für die zu- verlässige und kontinuierliche Zusammenarbeit. Ich danke Herrn Dr. Siegfried Finke und Herrn Walter Ullrich für die Hilfe bei der Einbindung der Datenerhebung in das physikalische Anfängerpraktikum der Uni- versität Dortmund, sowie für die bereitwillige und hilfreiche Kooperation bei der Ausstattung der Experimente. Mein Dank gilt außerdem allen Studierenden, die sich bereit erklärt haben, an der Untersuchung teilzunehmen. INHALTSVERZEICHNIS EINLEITUNG............................................................................................. 1 THEORET ISCHER TE IL 1. ROLLE UND ZIELE NATURWISSENSCHAFTLICHER PRAKTIKA............................. 3 1-1 Geschichtliche Aspekte .......................................................................................3 1-2 Ziele von Praktika................................................................................................5 2. ZUR EFFEKTIVITÄT VON PRAKTIKA - STAND DER FORSCHUNG.......................... 9 2-1 Effektivität traditioneller Praktika......................................................................9 2-2 Ausrichtung von Praktika an Zielen ................................................................. 11 2-3 Der Einfluss konstruktivistischer Lerntheorien ............................................... 12 3. COMPUTEREINSATZ IM PRAKTIKUM..........................................................15 3-1 Allgemeine Aspekte des Computereinsatzes .................................................... 15 3-2 Computergestützte Messwerterfassung............................................................ 17 3-3 Modellbildungssysteme und Simulationen ...................................................... 19 4. PHYSIKLERNEN IM PRAKTIKUM - VERBINDUNG VON THEORIE UND PRAXIS ..........21 4-1 Lern- und kognitionspsychologische Aspekte .................................................. 21 Lernen als Wissenskonstruktion 21 Kognitiver Konstruktivismus 22 Konzept- und objektbezogenes Handeln 23 4-2 Handlungstheoretische Aspekte ...................................................................... 24 Ebenen der Handlungsregulation 24 Freiheitsgrade des Handelns 25 Folgen für die Gestaltung von Arbeits- und Lernbedingungen 26 4-3 Fachdidaktische Aspekte.................................................................................. 26 Physiklernen und Handeln 26 Inhaltliche Struktur des Hochschulpraktikums 28 Handeln und Lernen im physikalischen Praktikum 29 INHALTSVERZEICHNIS EMPIR I SCHER TE IL 5. ZIELE DER UNTERSUCHUNG................................................................... 31 Fragestellungen 32 Aufbau des empirischen Teils der Arbeit 33 6. ANLAGE UND DESIGN DER UNTERSUCHUNG ............................................... 35 6-1 Rahmenbedingungen........................................................................................ 35 6-2 Anlage der Untersuchung.................................................................................36 6-3 Untersuchungsdesign ....................................................................................... 37 6-5 Hypothesen .......................................................................................................40 6-6 Erhebungsmethoden ........................................................................................ 41 Videoaufnahmen 41 Begriffsnetze 41 7. EXPERIMENTE UND ABLAUF DER UNTERSUCHUNG ....................................... 45 7-1 Auswahl und Gestaltung der Versuche ............................................................ 45 Versuch I 46 Versuch II 48 7-2 Auswahl der Versuchspersonen .......................................................................49 7-3 Ablauf der Untersuchung .................................................................................50 7-4 Einführung der Computerprogramme..............................................................51 7-5 Ergebnisse des Computer-Fragebogens........................................................... 52 8. ANALYSE DER VIDEODATEN................................................................... 53 8-1 Konzept der Analyse ......................................................................................... 53 Wahl des Kodierungszeitraums 54 Art der Ergebnisse 55 Rolle der Sprache 55 8-2 Kodierung der Tätigkeiten................................................................................ 57 Operationalisierung der Kategorien A 58 Tätigkeiten mit dem Computer 58 8-3 Kodierung der Sprechhandlungen ...................................................................58 Theoretische Ableitung der Kategorien B 59 Operationalisierung der Kategorien B (erster Schritt) 61 Definition der zu kodierenden Sprechhandlungen 62 Gleichzeitiges Zutreffen von Kategorien 62 Operationalisierung (zweiter Schritt) 63 INHALTSVERZEICHNIS 8-4 Durchführung der Analyse............................................................................... 64 Zusammenhang zwischen den Kategoriesystemen 65 Umfang der analysierten Daten 66 8-5 Beobachterübereinstimmung .......................................................................... 66 Überprüfung der Übereinstimmung 68 9. ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE ............................................................71 9-1 Einführung ........................................................................................................ 71 Aufbau des Kapitels 72 Methodisches Vorgehen bei der Auswertung 72 9-2 Analyse der Tätigkeiten.....................................................................................72 Computerspezifische Tätigkeiten 74 Durchführung von Auswertungen 75 Handlungsspielraum im Praktikum 76 Weitere Ergebnisse 78 9-3 Analyse der Sprechhandlungen ........................................................................79 Anteile der Inhaltsbereiche 80 Versuchsfremde Sprechhandlungen 82 Inhaltsbereich Messung 83 Inhaltsbereich Physik 83 9-4 Zusammenhang zwischen Tätigkeiten und Sprechhandlungen ..................... 84 Inhaltsbereich Messung 85 Inhaltsbereich Physik 87 Weitere Ergebnisse 90 9-5 Ergebnisse zur Versuchsauswertung ................................................................91 Zum Ablauf der Auswertung 92 Analyseergebnis 92 9-6 Ergebnisse zu Versuch I ................................................................................... 94 Analyse der Tätigkeiten 94 Analyse der Sprechhandlungen 95 Inhaltsbereich Physik 96 Zur Rolle computergestützter Messwerterfassung 98 9-7 Zusammenfassung ........................................................................................... 99 Traditionelles Praktikum 99 Computergestützte Messwerterfassung 100 Modellbildung und Simulation 101 Abhängigkeit der Ergebnisse vom Versuchsthema 101 Weiteres Vorgehen 101 INHALTSVERZEICHNIS 10. ANALYSE DER BEGRIFFSNETZE............................................................. 103 10-1 Erhobene Begriffsnetze................................................................................... 103 10-2 Analyseverfahren ............................................................................................ 105 10-3 Erstellung des Referenznetzes........................................................................ 107 Auswertung der Interviews 107 Entstehung des Referenznetzes 108 Systematisierung der Referenznetzverbindungen 109 10-4 Kategorisierung der Referenznetzverbindungen ............................................110 Bearbeitung der Begriffsnetze der Vpn 112 10-5 Durchführung der Begriffsnetzanalyse ...........................................................112 11. ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE ............................................... 115 11-1 Einführung....................................................................................................... 115 11-2 Varianzanalytische Auswertung ......................................................................116 Analyse des Gesamtwissens 117 Analyse des Wissens in den Referenznetzbereichen 118 Zur Rolle des Vorwissens 121 11-3 Zusammenhang zwischen Praktikumsarbeit und Wissenserwerb................ 122 Korrelation von Video- und Begriffsnetzdaten 123 11-4 Qualitative Auswertung .................................................................................. 125 Umfang der Vormaps 125 Höhe des Wissenszuwachses 126 Häufigkeit einzelner Propositionen 128 Fehlvorstellungen 130 11-5 Zusammenfassung...........................................................................................131 12. ERGEBNISDISKUSSION UND FOLGERUNGEN .............................................. 133 12-1 Einführung...................................................................................................... 133 12-2 Handlungsregulation im Praktikum .............................................................. 133 Routinetätigkeiten und manipulative Tätigkeiten 134 Geringer Handlungsspielraum 134 Zur Rolle der Betreuung 135 12-2 Wissenserwerb im Praktikum .........................................................................135 Rolle der Versuchsanleitung 135 Individuelle Voraussetzungen der Studierenden 135 12-3 Computergestützte Messwerterfassung ......................................................... 136 Verbindung von Praktikums- und Auswertearbeit 137 12-4 Modellbildung und Simulation ...................................................................... 138 Modellbildung 138 Simulationen 138 INHALTSVERZEICHNIS 12-5 Folgerungen.....................................................................................................139 Gestaltungsmerkmale des Praktikums 139 Verbesserungsansätze 140 Zum Computereinsatz im Praktikum 143 Zu Zielen des Praktikums 143 13. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ...................................................... 145 Theoretische Grundlagen 145 Untersuchungsdesign 146 Hypothesen 146 Methodik 147 Ergebnisse 148 Folgerungen 150 Ausblick 150 LITERATURVERZEICHNIS .......................................................................... 153 VERZEICHNIS DER ANHÄNGE ..................................................................... 163 Anhang 1 (zu den Praktikumsexperimenten)......................................................... 165 Anhang 2 (Computerfragebogen) ........................................................................... 191 Anhang 3 (zur Videoanalyse)..................................................................................193 Anhang 4 (zur Begriffsnetzerhebung) ................................................................... 205 Anhang 5 (zur Begriffsnetzanalyse)........................................................................ 215 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildung 1.1: Ziele für das Physikalische Anfängerpraktikum. (Quelle: American Journal of Physics, 1998, Heft 6, S. 483) ............................................................................ 6 Abbildung 4.1: Vereinfachte Darstellung der Komplexitätsebenen kognitiver Teilsysteme und der zugehörigen Handlungsregulation nach FISCHER (1994)......................... 23 Abbildung 4.2: Vereinfachte Darstellung des Handlungsrahmens von Schülern im Physikun- terricht nach HORSTENDAHL (1999)............................................................... 27 Abbildung 4.3: Inhaltliche Struktur des physikalischen Praktikums ......................................28 Abbildung 4.4: Inhaltsbezogener Handlungsrahmen von Studierenden im physikalischen Praktikum ........................................................................................................29 Abbildung 6.1: Design der Untersuchung. ...............................................................................39 Abbildung 8.1: Kodierung des „Verhaltensstromes“ im Zeitverlauf mit Hilfe der Kategorie- systeme A und B............................................................................................... 54 Abbildung 8.2: Kategorien B zur Kodierung der Sprechhandlungen während der Praktikum- sarbeit ..............................................................................................................60 Abbildung 8.3: Bedeutung der Kategorien zur Kodierung der Sprechhandlungen .................60 Abbildung 8.4: Ausschnitt aus dem eingesetzten Analysebogen .............................................64 Abbildung 8.5: Beispiel für die Kodierung von Sprechhandlungen in nicht eindeutigen Situa- tionen ............................................................................................................... 65 Abbildung 8.6: Beobachtungsmatrix für 1384 Fälle (692 min), in denen Tätigkeiten kodiert wurden ............................................................................................................. 67 Abbildung 8.7: Beobachtungsmatrix für 1384 Fälle (692 min), in denen Sprechhandlungen kodiert wurden.................................................................................................68 Abbildung 9.1: Mittlere Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS ...................................................................... 73 Abbildung 9.2: Durchschnittliche Messzeiten der Gruppen TRAD, MBL und MBS in Minuten, mit und ohne Einbeziehung der bei der Benutzung des Modellbildungssys- tems mit ME kodierten Aktivitäten ................................................................. 76 Abbildung 9.3: Mittlere Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit, wenn Zeitschritte, in denen die Sprechhandlungen sich auf Daten oder Symbole be- ziehen, unberücksichtigt bleiben ..................................................................... 77 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildung 9.4: Mittlere Anteile der von den Sprechhandlungen der Studierenden berühr- ten Inhaltsbereiche an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS ................................................................................................................. 80 Abbildung 9.5: Verteilung der versuchsfremden Sprechhandlungen auf die einzelnen Tätig- keiten................................................................................................................82 Abbildung 9.6: Mittlere Anteile der Kategorien P (deskriptive kognitive Ebene) und PP (abs- trakte kognitive Ebene) an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS...........................................................................................................84 Abbildung 9.7: Mittlere Dichten messbezogener Sprechhandlungen der Vpn der Gruppen TRAD, MBL und MBS bezüglich der verschiedenen Tätigkeiten....................86 Abbildung 9.8: Mittlere Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten kog- nitiven Ebene der Vpn der drei Gruppen TRAD, MBL und MBS bezüglich der verschiedenen Tätigkeiten ...............................................................................87 Abbildung 9.9: Mittlere Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten Ebe- ne, wenn Zeitschritte, in denen die Sprechhandlungen sich auf Daten oder Symbole beziehen, unberücksichtigt bleiben...................................................89 Abbildung 9.10: Mittlere Anteile der Kategorien P (deskriptive kognitive Ebene) und PP (abs- trakte kognitive Ebene) an der Auswertezeit ...................................................93 Abbildung 9.11: Mittlere Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit von Versuch I ..........................................................................................................94 Abbildung 9.12: Mittlere Anteile der von den Sprechhandlungen der Studierenden berührten Inhaltsbereiche an der Praktikumszeit von Versuch I.....................................96 Abbildung 9.13: Mittlere Anteile der Kategorien P (deskriptive kognitive Ebene) und PP (abs- trakte kognitive Ebene) an der Praktikumszeit von Versuch I ........................97 Abbildung 9.14: Mittlere Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten kog- nitiven Ebene in Versuch I ...............................................................................97 Abbildung 10.1: Beispiel für die strukturelle Gleichbehandlung von Teilen des Referenz- netzes, in denen ähnliche physikalische Inhalte dargestellt sind.................. 109 Abbildung 10.2: Beispiel für das Strukturprinzip des Referenznetzes..................................... 110 Abbildung 11.1: Mittlere Gesamt-Verbindungszahlen der Begriffsnetze vor und nach Durch- führung des Praktikumsexperiments für die Gruppen TRAD, MBL und MBS ................................................................................................................ 118 Abbildung 11.2: Verbindungszahlen in den Referenznetzbereichen vor und nach Durchfüh- rung des Praktikumsexperiments für die Gruppen TRAD, MBL und MBS ...121 Abbildung 11.3: Durchschnittlicher gewichteter Wissenszuwachs in den verschiedenen In- haltsbereichen und bezüglich der deskriptiven und abstrakten kognitiven Ebene.............................................................................................................. 127 Abbildung 11.4: Wissenszuwächse der einzelnen Studierenden.............................................. 127 TABELLENVERZEICHNIS Tabelle 8.1: Beschreibung der Kategorien A zur Erfassung der Tätigkeiten der Studierenden im Praktikum ...................................................................................................... 57 Tabelle 8.2: Beschreibung der Kategorien B zur Kodierung der Sprechhandlungen der Stu- dierenden im Praktikum..................................................................................... 61 Tabelle 8.3: Beispiele zur Illustration des Vorgehens bei der Kodierung der Sprechhandlun- gen in einer Zweiergruppe ..................................................................................62 Tabelle 8.4: Kodierung der Kategorien für Beispiele von Sprechhandlungen.......................63 Tabelle 8.5: Übersicht über die analysierten Videodaten ......................................................66 Tabelle 8.6: Beobachterübereinstimmung für die Kategoriesysteme A und B ......................69 Tabelle 9.0: Praktikumszeiten der Gruppen TRAD (traditionelles Praktikum), MBL (com- putergestützte Messwerterfassung) und MBS (Messwerterfassung und Modell- bildungssystem) bei der Durchführung von Versuch II ..................................... 73 Tabelle 9.1: Mittlere Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS ......................................................................... 74 Tabelle 9.4: Mittlere Anteile der von den Sprechhandlungen der Studierenden berührten Inhaltsbereiche an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS..................................................................................................................... 81 Tabelle 9.6: Mittlere Anteile der Kategorien P (deskriptive kognitive Ebene) und PP (abs- trakte kognitive Ebene) an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS.....................................................................................................................84 Tabelle 9.7: Mittlere Dichten messbezogener Sprechhandlungen der Vpn der Gruppen TRAD, MBL und MBS bezüglich der verschiedenen Tätigkeiten.......................86 Tabelle 9.8: Mittlere Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten kogni- tiven Ebene der Vpn der Gruppen TRAD, MBL und MBS bezüglich der ver- schiedenen Tätigkeiten .......................................................................................88 Tabelle 10.1: Ausgangsbegriffe für das Erstellen der Concept Maps..................................... 104 Tabelle 10.2: Standardisierte Verbindungen für die Umwandlung der Interviews in Begriffs- netzform und für die Erstellung des Referenznetzes ....................................... 108 Tabelle 10.3: Zuordnung der Kategorien aus Kapitel 8-3 (S. 54) zu Beispielen für Begriffs- netzverbindungen .............................................................................................. 111 Tabelle 10.4: Einteilung der Begriffsnetzverbindungen in Kategorien, die denen der Video- analyse entsprechen........................................................................................... 111 TABELLENVERZEICHNIS Tabelle 11.1-1: Mittelwerte und Standardabweichungen der Gesamt-Verbindungszahlen der Vor- und Nachmaps für die Gruppen TRAD, MBL und MBS ...........................117 Tabelle 11.1-2: Ergebnisse der Varianzanalyse der Gesamt-Verbindungszahlen der Begriffsnet- ze. .......................................................................................................................117 Tabelle 11.2-1: Mittelwerte und Standardabweichungen der Verbindungszahlen der Vor- und Nachmaps für die Gruppen TRAD, MBL und MBS in den verschiedenen Refe- renznetzbereichen..............................................................................................119 Tabelle 11.2-2: Ergebnisse der Varianzanalysen der Verbindungszahlen in den verschiedenen Referenznetzbereichen...................................................................................... 120 Tabelle 11.3: Korrelationskoeffizienten der Anteile der verschiedenen Sprechhandlungen der Vpn an der Praktikumszeit (siehe Kap. 9) mit dem Wissenszuwachs der Vpn in den verschiedenen Referenznetzbereichen ...................................................... 124 Tabelle 11.4: Verbindungen, die bei mehr als vier Vpn als Wissenszuwachs auftreten (im Vormap fehlen, aber im Nachmap enthalten sind) .......................................... 129 EINLEITUNG Practical work can be used to create the illusion of active and purposeful learning (Osborne 1993, 118). Das Praktikum unterscheidet sich von allen anderen Unterrichtsformen zum Erlernen von Naturwissenschaften. Beim Experimentieren greifen die Lernenden aktiv in ihre Umwelt ein. Indem sie ihr Wissen über Physik zur Steuerung ihrer Handlungen benut- zen, können sie bekannte Gesetzmäßigkeiten überprüfen oder neue Gesetzmäßigkeiten entdecken und verstehen, und damit neues Wissen erwerben. Viele Autoren, darunter OSBORNE (s.o.), sind allerdings der Meinung, dass bestehende Praktika dem Anspruch, das theoretische Wissen der Lernenden mit experimentellen Erfahrungen zu verbinden, nicht gerecht werden. Mit der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten von Studierenden im physikalischen Praktikum einer deutschen Universität empirisch untersucht. Hierfür werden Studie- rende bei ihrer Praktikumsarbeit beobachtet und ihre Handlungen analysiert. Es wird untersucht, ob die Studierenden durch die Durchführung eines Praktikumsexperiments physikalisches und experimentelles Wissen erwerben, und welcher Zusammenhang zwischen dem Wissenserwerb und den Handlungen im Praktikum besteht. Neuen Technologien kommt, wenn auch langsamer als es die schnelle Entwicklung der technischen Möglichkeiten erwarten lässt, eine zunehmende Bedeutung in der natur- wissenschaftlichen Ausbildung zu. Daher befasst sich diese Arbeit auch mit der Frage, ob ein Computereinsatz geeignet ist, die Bedingungen des Physiklernens im Anfänger- praktikum zu verbessern. Hierfür werden die Handlungen und der Wissenserwerb von Studierenden im traditionellen Praktikum (ohne Computer) mit den Handlungen und dem Wissenserwerb von Studierenden im computergestützten Praktikum verglichen. Dabei wird der Computer zur Messwerterfassung sowie zur Modellbildung und Simu- lation eingesetzt. Theoretische Basis der Arbeit bilden konstruktivistische Ansätze der Lernpsychologie. Sie werden mit handlungstheoretischen Konzepten verknüpft, wobei auch die inhaltli- che Struktur des physikalischen Praktikums berücksichtigt wird. Die Ergebnisse der Arbeit können als Diskussionsgrundlage für mögliche Verbesserungen der experimen- tellen Ausbildung dienen. Sie werden durch Ergebnisse weiterer aktueller Untersu- chungen zum physikalischen Anfängerpraktikum ergänzt (HALLER 1999, SANDER 1999). 2Die Arbeit beginnt mit einer Übersicht über die Ziele, die mit naturwissenschaftlichen Praktika verbunden werden, sowie über den aktuellen Forschungsstand. Anschließend wird auf Befunde zum computergestützten Lernen im Praktikum eingegangen (Kapitel 3). In Kapitel 4 wird der theoretische Rahmen der Untersuchung dargestellt, auf dem der dann folgende empirische Teil der Arbeit aufbaut. T H E O R E T I S C H E R T E I L Kapitel 1 ROLLE UND ZIELE NATURWISSENSCHAFTLICHER PRAKTIKA 1-1 Geschichtliche Aspekte 1-2 Ziele von Praktika 1-1 GESCHICHTLICHE ASPEKTE Es ist plausibel und selbstverständlich, dass beim Lehren von naturwissenschaftlichen Inhalten auf Experimente zurückgegriffen wird, um Phänomene zu veranschaulichen und Lernende dazu anzuregen, Erklärungen zu finden. Dies lässt sich bis zurück in das 17. Jahrhundert verfolgen (vgl. GEE & CLACKSON 1992). Die ersten Praktika finden sich um 1830. Es handelte sich zunächst ausschließlich um Chemie-Laboratorien. Diese lan- ge Tradition der Praktika ist eng mit der gesellschaftlichen Rolle der naturwissen- schaftlichen Ausbildung an Schulen und Hochschulen verknüpft, der im Zuge der In- dustrialisierung und Technisierung eine immer größere Bedeutung zukam. NOTT (1997) beschreibt, wie Ende des letzten Jahrhunderts in England mit der Entwicklung der Wissenschaft zum gesellschaftlich anerkannten Berufsbild auch die Praktika zum Standardinstrument der naturwissenschaftlichen Ausbildung wurden. Dies war not- wendig, um den wissenschaftlichen Nachwuchs möglichst gut auf den späteren Beruf vorzubereiten. Zudem kam den Praktika schon damals auch eine wichtige Symbolfunk- tion zu: The school laboratory was a space imposed by professional academic science, to declare the status of science, rather than a space appropriate for teaching and lear- ning science (NOTT 1997, 54). In England wusste Ende des 19. Jahrhunderts H.E. Armstrong, ein einflussreicher Chemiker, die entsprechenden staatlichen Kommissionen von seiner Unterrichtsme- thode, dem heurism, zu überzeugen. Seine zentrale Idee war, dass Schüler Experimente eigenhändig durchführen sollten, um sich wissenschaftliche Prinzipien und Methoden anzueignen. Dabei plädierte er nicht für fest eingerichtete Laboratorien, sondern für va- riable, mit einfachen Geräten ausgestattete Räume, von denen er sich einen effektiven, lernerorientierten Unterricht versprach. KAPITEL 1: ROLLE UND ZIELE NATURWISSENSCHAFTLICHER PRAKTIKA4 Die Bedeutung und Notwendigkeit eines praktisch-experimentellen Anteils an der Aus- bildung für das Erlernen einer naturwissenschaftlichen Disziplin wird heute von nie- mandem bestritten. An Praktika werden sogar hohe Erwartungen geknüpft. Sie sind ein fester und zentraler Bestandteil aller naturwissenschaftlichen Lehrpläne und Studien- gänge, und das wohl in allen Ländern der Welt. Unter Praktikum ist dabei eine Form von praktischer Arbeit zu verstehen, bei der Studierende oder Schüler Experimente in einer speziell dafür vorbereiteten Lernumgebung durchführen, sich mit Geräten und Materialien beschäftigen, naturwissenschaftliche Phänomene beobachten und verste- hen lernen und naturwissenschaftliche Arbeitsweisen erlernen können (HEGARTY- HAZEL 1990). Nach LAZAROWITZ und TAMIR (1994) wird das Praktikum als unerlässli- che Komponente naturwissenschaftlichen Unterrichts angesehen, da es  konkrete Erfahrungen vermittelt und Gelegenheit bietet, Misskonzepte zu erkennen und auszuräumen,  Gelegenheit bietet, neben organisatorischen und denkerischen auch fachspezifische experimentelle und manipulative Fähigkeiten zu entwickeln,  erlaubt, den Umgang mit Messwerten zu üben und sich sowohl allgemeine wissen- schaftliche Werte wie Vertrauen in die Messung, Verantwortung, usw., als auch wis- senschaftliche Handlungsmuster wie Kollaboration, Interpretation, usw. anzueig- nen,  das Wesen und die Vorgehensweise der Naturwissenschaften widerspiegelt und vermittelt,  sowie durch in Eigeninitiative lösbare Probleme Motivation und Interesse fördert. Viele Befunde belegen, dass Praktika sich förderlich auf die Lernentwicklung und die Einstellung von Lernenden auswirken können. In einer neueren Untersuchung etwa findet FREEDMAN (1997), dass Schüler, die während eines Schuljahres einmal in der Woche selber experimentieren, bessere Leistungen in Physik erzielen und eine positive- re Einstellung zu Naturwissenschaften zeigen, als Schüler, die ohne Praktikum unter- richtet werden. Evaluation von Praktika Die begleitende Untersuchung bestehender Experimentierformen begann früh (vgl. et- wa HORTON 1929), wenn auch bis in die heutige Zeit im wesentlichen auf den englisch- sprachigen Raum beschränkt. Bereits in den 30er-Jahren wurde in England erstmalig darüber diskutiert, was denn nun eigentlich mit den Praktika und Laboratorien erreicht werden solle und ob der große Zeit- und Materialaufwand wirklich gerechtfertigt sei. Offenbar hatte sich damals schon, ganz im Gegensatz zu den ursprünglichen Absichten, eine Tendenz eingestellt, in den Praktika hauptsächlich Messungen durchzuführen und sich auf das Einüben experimenteller Techniken zu beschränken (WOOLNOUGH & ALLSOP 1985). Diese Fragen sind heute keinesfalls ausdiskutiert (so fragt etwa PICKERING 1980, 1: „Are lab courses a waste of time?“). Vielmehr werden sie seit Ende der 70er-Jahre ver- stärkt aufgegriffen, was sich international in zahlreichen Studien und Veröffentlichun- 1-2 Z IELE VON PRAKTIKA 5 gen zu diesem Thema wiederspiegelt. Dies mag einerseits daran liegen, dass Ausbil- dungssysteme sich wenig verändern oder resistent gegen Berührung durch solche Dis- kussionen sind. Am klassischen Ablauf des physikalischen Anfängerpraktikums etwa hat sich an den meisten deutschen Universitäten in den letzten 50 Jahren praktisch nichts geändert (DIEMER et al. 1998). Andererseits legt es die seit Anfang der 70er- Jahre stattfindende Übertragung lern- und kognitionspsychologischer Erkenntnisse auf fachdidaktische Problemfelder nahe, manche Fragen neu zu stellen. Da sich im gleichen Zuge eine an Kriterien der empirischen Sozialforschung orientierte fachdidaktische Forschung entwickelte, liegen heute empirische Befunde vor, die eine neue Diskussi- onsgrundlage für die Verbesserung der naturwissenschaftlichen Ausbildung - und der Praktika - schaffen. 1-2 ZIELE VON PRAKTIKA Die Ziele, die mit naturwissenschaftlichen Praktika erreicht werden sollen, sind immer wieder ausführlich erfasst und diskutiert worden (z.B. KERR 1963; KLOPFER 1971; BOUD et al. 1980; HELLINGMANN 1982; BOUD et al. 1988; HEGARTY-HAZEL 1990; WELZEL et al. 1998; DIEMER et al. 1998). Dabei ist festzustellen, dass über die Haupt- ziele der Durchführung von Praktika seit nunmehr über 35 Jahren ein großer Konsens besteht, der sich durch alle Veröffentlichungen zieht (HODSON 1998a). Nach DIEMER et al. (1998, 11) sind die beiden Hauptziele eines Praktikums unverändert „das Messen physikalischer Größen erlernen“ und „die Vertiefung des Stoffes der Vorle- sungen durch praktische Anwendung“. Dies deckt sich mit den Ergebnissen einer neue- ren Umfrage von WELZEL et al. (1998). Darin werden Ziele des Praktikums unter Leh- renden an Universitäten und Schulen in sechs europäischen Ländern erhoben. Es ergeben sich fünf Hauptkategorien von Zielen, die mit den in der Literatur genannten Zielen übereinstimmen:  Die Verbindung von Theorie und Praxis  Der Erwerb experimenteller Fähigkeiten  Das Kennenlernen der Methoden wissenschaftlichen Denkens  Motivation und persönliche Weiterentwicklung  Die Überprüfung des Wissens der Lernenden Die ersten drei Nennungen werden dabei als etwa gleich wichtig eingeschätzt. Die län- der-, fach- und niveauspezifischen Unterschiede sind gering. Allerdings ist das Erlernen experimenteller Fähigkeiten an Hochschulen offenbar wichtiger als an Schulen. Das insgesamt am häufigsten genannte Einzelziel des naturwissenschaftlichen Praktikums ist „aufmerksames Beobachten lernen“. Die Ziele des naturwissenschaftlichen Praktikums, die je nach Autor, nach Fach und nach Alter der Lerner immer leicht verschieden formuliert sind, lassen sich mit WELLINGTON (1998) in drei wesentliche Bereiche gliedern: KAPITEL 1: ROLLE UND ZIELE NATURWISSENSCHAFTLICHER PRAKTIKA6 Kognitiver Bereich Praktika sollen helfen, das Verständnis sowohl von Wissenschaft als auch von fachli- chen Konzepten zu verbessern. Indem Gesetze und Theorien praktische Anwendung finden, werden sie veranschaulicht oder bestätigt, und die Bildung neuer Konzepte wird unterstützt. Affektiver Bereich Praktika sollen motivieren. Durch aufregende Ergebnisse und Erfahrungen wird Inte- resse und Enthusiasmus geweckt. An solche Erlebnisse können sich Lerner gut erin- nern, und die Einstellung zu Naturwissenschaften wird positiv beeinflusst. Auf Fertigkeiten (skills) bezogener Bereich Mit Praktika sollen manipulative und methodische Fertigkeiten geschult werden. Dabei werden auch „höhere“ experimentelle Fähigkeiten (inquiry skills) gefördert wie Frage- stellungen zu entwickeln, Vorhersagen zu treffen, Daten zu analysieren und Schlüsse zu ziehen. Ziele des physikalischen Anfängerpraktikums Eine für das physikalische Anfängerpraktikum an Hochschulen relevante Aufstellung von Zielen, die sich ebenfalls diesen Bereichen zuordnen lassen, nimmt die AAPT (American Association of Physics Teachers, 1998) vor (Abb. 1.1). Abbildung 1.1: Ziele für das Physikalische Anfängerpraktikum. (Quelle: American Journal of Physics, 1998, Heft 6, S. 483). 1-2 Z IELE VON PRAKTIKA 7 In dieser Zielaufstellung wird dem affektiven Bereich keine besondere Bedeutung bei- gemessen. Auch eine Zielaufstellung für das physikalische Anfängerpraktikum von DIEMER et al. (1998) beschränkt sich auf den kognitiven Bereich. Dies zeigt, dass im Falle von Hochschulpraktika davon ausgegangen wird, dass die Studierenden ausrei- chend motiviert sind, wie ja offenbar ihre Studienwahl belegt. In Abbildung 1.1 ist ne- ben dem kognitiven Bereich, der das konzeptuelle Lernen und die Verbindung von The- orie und Praxis betrifft, auch der Bereich der experimentellen und analytischen Fertigkeiten von Bedeutung. Außerdem kommt gegenüber der Einteilung von WELLINGTON (1998) (s.o.) ein weiterer Aspekt hinzu (Developing Collaborative Lear- ning Skills), der die „klassischen“ Praktikums-Ziele um den Aspekt des sozialen Ler- nens und des gemeinsamen Lösens von Problemen ergänzt. Es wird so auf aktuelle Er- hebungen reagiert, die zeigen, dass die Teamfähigkeit und das kooperative Problemlösen während des gesamten späteren Berufslebens von Physikern eine äußerst wichtige Rolle spielt (AAPT 1998). Zeitgemäße Entwicklungen Daran lässt sich erkennen, dass Praktika auch heute noch eine große Bedeutung bei der Ausbildung von Physikern zukommt, und dass Bemühungen stattfinden, durch Anpas- sung von Zielsetzungen und Gestaltung von Lernbedingungen dieser Tatsache gerecht zu werden. Deutlich wird dies auch an der aktuellen Scientific-Literacy-Debatte (z.B. GOTT & DUGGAN 1996; FISCHER 1998) und - in Deutschland - an Bemühungen von Regierungsseite, Ergebnisse neuerer Untersuchungen in den Experimentalunterricht an Schulen einfließen zu lassen (BLK 1997). Auch andere Untersuchungen beschäftigen sich mit einer neuen Ausrichtung der experimentellen Ausbildung, um sie an moderne gesellschaftliche Bedürfnisse und Anforderungen anpassen. So wird etwa versucht, Praktika und ihre Ziele auf die zunehmende Bedeutung der Computertechnik und die dadurch entstehenden Möglichkeiten abzustimmen (z.B. PRESTON & GOOD 1996; DIEMER et al. 1998) oder projekt- und kontextbezogen auszurichten (z.B. HELMS 1998; HODSON 1998b), um ein realistischeres wissenschaftliches Vorgehen zu vermitteln. Die Frage bleibt, ob die experimentelle physikalische Ausbildung an der Universität von derartigen Entwicklungen profitieren wird. Kapitel 2 ZUR EFFEKTIVITÄT VON PRAKTIKA - STAND DER FORSCHUNG 2-1 Effektivität traditioneller Praktika 2-2 Ausrichtung von Praktika an Zielen 2-3 Der Einfluss konstruktivistischer Lerntheorien 2-1 EFFEKTIVITÄT TRADITIONELLER PRAKTIKA Im letzten Kapitel wurde festgestellt, dass bezüglich der wichtigsten Zielbereiche na- turwissenschaftlicher Praktika große Übereinstimmung besteht, dass aber seit etwa 25 Jahren verstärkt hinterfragt wird, inwieweit Praktika den an sie gestellten Ansprüchen wirklich gerecht werden. Betrachtet man die Literatur zu Forschungen über die Effekti- vität von und das Lernen in Praktika, so fällt zunächst auf, dass es wenige bis keine Veröffentlichungen über die Auswirkungen von Praktika im affektiven Bereich gibt. Das mag daher rühren, dass die Untersuchung motivationaler Aspekte beim Erlernen von Naturwissenschaften nur langsam Bedeutung erlangt und sich in empirischen Studien niederschlägt (vgl. FISCHER & HORSTENDAHL 1998). Andererseits liegt eine Fülle von Veröffentlichungen vor, die sich kritisch mit dem Erreichen von Zielen im kognitiven Bereich befassen. Dabei geht es hauptsächlich um die Verbindung von Theorie und Praxis und um experimentelle Fähigkeiten im Sinne wissenschaftlichen Vorgehens (Fragestellungen entwickeln, Hypothesen formulieren, Zusammenhänge hinterfragen). To many students, a lab means manipulating equipment and not manipulating ideas (LUNETTA 1998, 250; siehe auch GUNSTONE 1991). In diesem Zitat spiegelt sich ein wesentliches Ergebnis von Forschungen wider, die sich mit Praktika in der naturwissenschaftlichen Ausbildung auseinandersetzen. Einerseits werden die Lernenden, deren Bedürfnisse lange Zeit bei der Planung von Praktika un- berücksichtigt geblieben sind, in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Andererseits wird auf die Diskrepanz zwischen den Ansprüchen aufmerksam gemacht, die Lehrende oft an Praktika stellen, und dem, was von den Studierenden erlebt und erreicht wird. Denn das Umgehen mit und Anwenden von physikalischen Konzepten (ideas) ist, wie aus Kapitel 1 deutlich wird, einer der Hauptansprüche an physikalische Praktika. KAPITEL 2: ZUR EFFEKTIVITÄT VON PRAKTIKA - STAND DER FORSCHUNG10 Angeleitetes Experimentieren und fehlende inhaltliche Auseinandersetzungen Viele Befunde weisen darauf hin, dass traditionell durchgeführte Praktika die postu- lierten Ziele nur unvollkommen erreichen (vgl. HOFSTEIN & LUNETTA 1982; TOOTHACKER 1983; TOBIN 1990; WHITE 1996). Hinweise auf die Ursachen solcher Diskrepanzen lassen sich schon bei der Analyse von Praktikumsanleitungen finden. Es zeigt sich, dass diese meist äußerst umfassend sind und die durchzuführenden Arbeiten Schritt für Schritt vorgeben (TAMIR & LUNETTA 1981; FUHRMANN et al. 1982; LUMPE & SCHARMANN 1991; GERMANN et al. 1996). Auch die Anleitungen des physikalischen Praktikums an deutschen Hochschulen sind in der Regel so aufgebaut (DIEMER et al. 1998). Es wird immer wieder kritisiert, dass die Lerner bei dieser Form des Praktikums kaum zur Diskussion und zum Testen eigener Hypothesen angeregt werden, sondern dass sie den Anleitungen wie einem Kochbuch folgen müssen (z.B. GALLAGHER & TOBIN 1987; CLOUGH & CLARK 1994; GUILLON 1995). Dadurch findet die Handlung auf einer rein ergebnisorientierten Ebene statt und beschränkt sich auf das Abarbeiten vorgegebener Arbeitsschritte. Der relevante physikalische Inhalt der Experimente und eigene Fehl- vorstellungen werden dabei nur selten erkannt (LUNETTA 1998). Auch der Erwerb ex- perimenteller Fähigkeiten wird nicht gefördert. Das belegen Untersuchungen, in denen das Verhalten der Lernenden beobachtet und analysiert wird. OKEBUKOLA (1985) un- tersucht die Abhängigkeit des Lernerfolgs bezüglich experimenteller Fähigkeiten (practical skills) von der Dauer bestimmter Tätigkeiten von Schülern im Biologie- Praktikum. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schüler im Praktikum auf Erklärungen des Lehrers hören und Anleitungen abarbeiten, statt Tätigkeiten auszuüben, bei denen die experimentellen Fähigkeiten trainiert werden. Andere, ähnlich angelegte Untersuchun- gen belegen, dass häufig nur ein geringer Anteil der Praktikumszeit darauf verwandt wird, zu „forschen“. Zum Teil verbringen die Lernenden mehr Zeit mit Lesen oder dem Aufschreiben von Daten als mit Tätigkeiten, die die Auseinandersetzung mit fachlichen Konzepten fördern oder verlangen (KYLE et al. 1979; OGUNNIYI 1983). NAKHLEH und KRAJCIK (1994) weisen darauf hin, dass ein Praktikumsexperiment eine sehr komplexe Lernumgebung darstellt. Lerner sind möglicherweise so mit organisato- rischen Tätigkeiten beschäftigt, dass keine Gelegenheit für inhaltliche Auseinanderset- zungen bleibt. NAKHLEH (1994) spricht daher von einer Barriere, die zwischen dem Kennenlernen von fachlichen Konzepten etwa in Vorlesungen und der Anwendung der- selben auf die im Praktikum beobachteten Phänomene liegt. BÉCU-ROBINAULT (1997) findet, dass Schüler bei der Durchführung von Versuchen zum Themenbereich Energie kaum physikalische Theorieelemente mit experimentellen Ereignissen verbinden. Das weist darauf hin, dass der Transfer von konzeptuellen Elementen in eine experimentelle Situation für Schüler schwierig ist. Offenbar ist die Anwendung physikalisch- theoretischen Wissens beim Experimentieren eine kognitive Leistung, die von Lernen- den nicht ohne weiteres erbracht wird (vgl. FISCHER 1994, HORSTENDAHL 1999). 2-2 AUSRICHTUNG VON PRAKTIKA AN ZIELEN 11 Verbesserungsansätze HODSON (1990) schließt aus einer Analyse mehrerer empirischer Untersuchungen, dass, nach den bisherigen Forschungsergebnissen, Praktika in Bezug auf das Erlernen fachlicher Inhalte und wissenschaftlicher Arbeitsweisen anderen Lehrmethoden nicht überlegen sind. Die beschriebenen offenkundigen Mängel veranlassen WHITE (1996, 768) zu der Fragestellung: Educationists need to consider the situation carefully: is our faith in laboratories misplaced and our theory about their value incorrect, or is practice poor? Demgemäß lassen sich in der Literatur zwei argumentative Stränge erkennen, in denen versucht wird, den eher frustrierenden Ergebnissen bezüglich der Effektivität von Praktika Rechnung zu tragen. Auf der einen Seite wird die Frage nach den Möglichkei- ten von Praktika neu gestellt. Insbesondere wird gefordert, die experimentelle Ausbil- dung stärker an den mit ihr verknüpften Erwartungen auszurichten. Auf der anderen Seite führen moderne konstruktivistische und sozial-konstruktivistische Forschungsan- sätze dazu, dass über neue Gestaltungsformen von Praktika nachgedacht wird, um die postulierten Ziele zu erreichen. 2-2 AUSRICHTUNG VON PRAKTIKA AN ZIELEN WHITE (1996) vermutet, dass Praktika deshalb so populär sind, weil leicht vorstellbar ist, dass mit ihnen sehr viele Ziele einer naturwissenschaftlichen Ausbildung erreicht werden können. Sie passen daher, unabhängig von gesellschaftlichen und zeitlichen Strömungen, immer gut in die Vorstellungen aller möglichen Interessengruppen. Häu- fig beschränken sich Praktika allerdings darauf, zu unterrichten, wie man Anleitungen folgt. Hierfür, wie auch für die Instruktion rein experimenteller und manipulativer Fä- higkeiten, gibt es aber weit effizientere und billigere Unterrichtsmethoden. Sind die Erwartungen an Praktika gerechtfertigt? Bereits WOOLNOUGH (1983, 1985) plädiert deshalb dafür, sich von vielen üblichen Er- wartungen an das Praktikum zu verabschieden, insbesondere davon, dass das Prakti- kum Einfluss auf theoretische Konzepte von Lernern habe. Er formuliert in einem neu- en Ansatz drei konkrete Ziele für Praktika die er mit den zugehörigen Experimentierformen verknüpft: (1) Übungen (exercises), um spezifische praktische Fertigkeiten zu trainieren, (2) Forschungsaufgaben (investigations), um Problemlösen durch wissenschaftliche Herangehensweisen zu erlernen, und (3) Erfahrungsexperi- mente (experiences), um ein Gefühl für naturwissenschaftliche Phänomene zu gewin- nen. Auch KIRSCHNER und HUISMAN (1996) sind der Meinung, dass Praktika nicht da- zu beitragen, theoretische Inhalte zu vertiefen und möchten sie klar auf diese drei Ziele hin ausgerichtet sehen. Sie machen diesbezüglich, und um die Kosten traditionell aus- gestatteter Praktika zu reduzieren, Vorschläge für ein auf Multimedia-Technologie ba- sierendes, computergestütztes Praktikum. WILSON und STENSVOLD (1993) unterstreichen, dass der Konsens über die wichtigsten Ziele nicht dazu führen darf, dass alle Praktika bzw. Experimente gleich gestaltet sind. KAPITEL 2: ZUR EFFEKTIVITÄT VON PRAKTIKA - STAND DER FORSCHUNG12 Im Gegensatz zu WOOLNOUGH (s.o.) halten sie an der Bedeutung des Experimentie- rens für die Entwicklung theoretischer Konzepte fest und entwerfen drei Typen von Praktikumsaktivitäten, die jeweils an bestimmte zu erzielende Ergebnisse geknüpft sind: (1) Aktivitäten, die dazu dienen, in spezifischem Kontext erworbene Konzepte zu generalisieren, (2) Aktivitäten, die dazu dienen, Misskonzepte aufzulösen, und (3) Akti- vitäten, die dazu dienen, vorhandene Konzepte zu bestätigen. OSBORNE (1998) hingegen schlägt sogar vor, auf Praktika auf Schulniveau weitgehend zu verzichten. Seiner Meinung nach wird das Ziel, Naturwissenschaft zu verstehen, durch diskursorientierten Unterricht eher erreicht. So weit geht LUNETTA (1998) nicht, aber auch er plädiert dafür, nicht einfach eine große Zahl von Versuchen abzuarbeiten. Vielmehr sollten wenige Experimente oder Projekte gründlich und ausführlich behan- delt werden, um das Verstehen naturwissenschaftlicher Konzepte zu fördern. WILSON und STENSVOLD (1993, 427) fassen alle diese Ansätze zusammen: Evaluation of labs should not be an issue of „good or bad“, nor a question of inquiry vs. cookbook, but rather an assessment in terms of intended outcomes. Various types of content should be matched with appropriate outcome classes. 2-3 DER EINFLUSS KONSTRUKTIVISTISCHER LERNTHEORIEN Die Beobachtung, dass das traditionelle Praktikum im wesentlichen aus der Präsentati- on von Fakten, ergänzt durch bestätigende, detailliert angeleitete Experimente, besteht, bezeugt nach DRIVER und NEWTON (1997) einen positivistischen Blick auf die Natur- wissenschaft. Von Lernenden gewonnene experimentelle Daten führen unabänderlich zu einem als Wahrheit betrachteten Ergebnis, wobei die Reproduktion des Ergebnisses als das eigentliche Ziel der Praktikumsarbeit erscheint. In der konstruktivistischen Sichtweise stehen dagegen die subjektiven Erfahrungen und Konzepte der Lernenden, und damit die Weiterentwicklung ihrer Wissensstrukturen, im Mittelpunkt (siehe auch Kapitel 4). Diskursorientierung In neueren Ansätzen spielt daher die Kommunikation unter den Lernenden und mit der Lehrperson eine besondere Rolle. Danach kann nur im Diskurs erfahren werden, wie in einer Gruppe von Forschern Konsens erreicht und die Validität von Daten gesichert wird (DRIVER 1995). DRIVER und NEWTON (1997) entwickeln ein Konzept zur Verbes- serung der experimentellen naturwissenschaftlichen Ausbildung, das den wissen- schaftlichen Diskurs in den Vordergrund rückt. Hier überschneiden sich also aus lern- und erkenntnistheoretischen Überlegungen hervorgehende Ansätze zur innovativen Gestaltung von Praktika mit Ansätzen wie sie aus aktuellen gesellschaftlichen Dis- kussionen und Entwicklungen hervorgehen (vgl. Kapitel 1, FISCHER 1998). 2-3 DER EINFLUSS KONSTRUKTIVISTISCHER LERNTHEORIEN 13 Offenere Lernumgebungen Eine weitere Konsequenz der konstruktivistischen Perspektive ist die Öffnung der bis- her meist durch engschrittige Anleitungen charakterisierten Praktikums- Lernumgebungen. Dies bedeutet, dass die Lernenden mehr Gelegenheit haben, eigenen Fragestellungen nachzugehen. Sie können ihre Handlungen selbstständig organisieren statt von außen vorgegebene Schritte abzuarbeiten. Konkret bezogen auf Praktika lie- gen hierzu nur wenige empirische Ergebnisse vor. WESTBROOK und ROGERS (1996) zeigen anhand der Analyse von Concept Maps, dass Schüler besonders dann ihre Kon- zepte über den Auftrieb von Körpern verändern, wenn sie selbst den Untersuchungsge- genstand auswählen, Hypothesen aufstellen und testen, und Schlüsse aus den Ergeb- nissen ziehen. ROTH (1994) beschreibt, wie Schüler in einem offen gehaltenen Physikpraktikum erfolgreich experimentieren. Dabei stellt ROTH fest, dass eine bemer- kenswerte Bereitschaft der Studierenden vorhanden ist, selbst Fragestellungen zu erar- beiten und adäquate Versuchsaufbauten zu entwickeln. Dies entspricht auch unseren eigenen Beobachtungen im Physikstudium und wird durch eine Umfrage von RUICKOLDT (1996) unter 143 ehemaligen Studierenden der Physik – dem bisher einzigen empirischen Befund zum physikalischen Praktikum an deutschen Hochschulen – gestützt. Dabei sind mehr Selbstständigkeit und Eigeninitia- tive die am häufigsten genannten Wünsche bezüglich einer Verbesserung des Prakti- kums. Die experimentelle Ausbildung scheint diese Bereitschaft häufig nicht angemes- sen zu nutzen. Kapitel 3 COMPUTEREINSATZ IM PRAKTIKUM 3-1 Allgemeine Aspekte des Computereinsatzes 3-2 Computergestützte Messwerterfassung 3-3 Modellbildungssysteme und Simulationen 3-1 ALLGEMEINE ASPEKTE DES COMPUTEREINSATZES Moderne Technologien werden als vielversprechende Möglichkeit gesehen, das natur- wissenschaftliche Praktikum effizienter zu gestalten. Das Einsatzspektrum des Com- puters reicht dabei von reiner Messwerterfassung über die graphische und bildliche Visualisierung von Modellen und Prozessen bis hin zu vollständig multimedial aufbe- reiteten Experimenten oder virtuellen Lernumgebungen. Aus einer Umfrage von GIRWIDZ (1994) unter etwa 500 Studienanfängern geht hervor, dass ein großer Teil der Befragten den Einsatz des Computers im Praktikum erwartet. JODL und BASER (1996) stellen mit einer anderen Umfrage allerdings fest, dass der Computer noch kaum Ein- gang in das physikalische Anfängerpraktikum an (west-)deutschen Universitäten ge- funden hat. Vielmehr beschränkt sich dieser Teil der Ausbildung auf die seit Jahrzehn- ten genutzten Methoden. Computer werden hauptsächlich zur technischen Aufrüstung bestehender Experimente (DIEMER et al. 1998) eingesetzt. Vor dem Hintergrund der Diskussion um die sinnvolle Gestaltung von Praktika (siehe Kapitel 2) liegt es nahe, sich mit solchen Formen des Computereinsatzes zu befassen, die Lernprozesse unter- stützen und/oder neue Zugänge zu physikalischen Inhalten ermöglichen: It is not technology in itself that causes knowledge acquisition but the active engage- ment of students in tackling scientific problems (SCHECKER 1998, 387). Ein fachdidaktischer Rahmen Während frühere Studien sich hauptsächlich mit den Auswirkungen einzelner Compu- teranwendungen auf das naturwissenschaftliche Lernen befassen, wird in vielen neue- ren Veröffentlichungen versucht, den Computereinsatz in einen übergreifenden fachdi- daktischen Zusammenhang zu stellen. Als Beispiel dafür kann der Artikel von LINN (1998) gelten. Darin schlägt sie einen didaktischen Rahmen für den Computereinsatz vor, der während eines über 10 Jahre laufenden Forschungsprojekts („The Computer as KAPITEL 3: COMPUTEREINSATZ IM PRAKTIKUM16 a Learning Partner“) an der University of California entwickelt wurde. Die vielfältigen Möglichkeiten des Computers werden hier genutzt, um die Forderungen mehrerer in- struktionaler Ansätze (explanation, hands-on, social-cultural) zu integrieren und um- zusetzen. LINN stellt vier wesentliche Bereiche des Computereinsatzes heraus:  Mit geeigneten Modelldarstellungen kann an vorhandene Vorstellungen von Studie- renden angeknüpft werden. So können diese ihre eigenen Modelle fortentwickeln. Gleichzeitig wird eine Wissensbasis für weiteres, lebenslanges Lernen gelegt.  Theoretische Beschreibungen, Problemlöseprozesse und Modelle können auf viel- fältige Weise visualisiert werden (to make thinking visible). Dadurch erhalten mehr Studierende einen ihren Bedürfnissen entsprechenden Zugang zu naturwissen- schaftlichen Konzepten.  Direktes Feedback veranlasst die Studierenden zur Reflektion, zu Kritik und zur ak- tiven Gestaltung des eigenen Lernens. In Kombination mit anderen didaktischen Ansätzen (predict-explain-observe, Learning Cycle) wird so das selbstständige Ler- nen gefördert.  Durch die kommunikativen Möglichkeiten des Computers kann der soziale Charak- ter naturwissenschaftlichen Wissenserwerbs unterstrichen und für effektives Lernen genutzt werden. Lernpsychologische Aspekte Dieses Einsatzspektrum des Computers deckt sich mit den Chancen und Möglichkeiten, wie sie sich aus der lern- und kognitionspsychologischen Forschung zum Lernen mit neuen Medien ergeben. MANDL und HRON (1989) etwa unterscheiden vier Dimensio- nen zur Beurteilung des Lernmediums Computer, die sich auch in der von LINN (1998) eingenommenen fachdidaktischen Perspektive widerspiegeln: 1. Wissensart und Lernform: Soll Sachwissen erworben oder sollen bestimmte Fertig- keiten eingeübt werden? 2. Erfahrungsbezug: Ermöglicht das Medium den Lernenden eine Verknüpfung der vermittelten Informationen mit dem Vorwissen? 3. Motivierung: Erhalten die Lernenden eigenverantwortliche Handlungsmöglichkei- ten und Rückmeldungen über ihren Lernerfolg? 4. Reaktivität: Inwieweit trägt das Medium durch „Dialog“ zur wechselseitigen Kon- struktion von Bedeutung bei? Letztendlich haben die neuen Medien dazu geführt, dass konstruktivistische Elemente Eingang in die Instruktionspsychologie gefunden haben. In den Ansätzen des „Instruk- tionalen Designs der zweiten Generation“ (MERRILL 1991) wird eine Balance gesucht zwischen der Instruktion durch Lehrende (vermittelt über ein Medium) und konstruk- tiver Aktivität der Lernenden. Dabei wird einerseits die Bedeutung von Lernen in Problem- bzw. Handlungszusammenhängen im Sinne einer konstruktivistischen Auf- fassung betont. Andererseits wird vom Aufbau kognitiver Strukturen bzw. mentaler Modelle durch geeignete Instruktionen im Sinne kognitionstheoretischer Ansätze aus- 3-2 COMPUTERGESTÜTZTE MESSWERTERFASSUNG 17 gegangen. Dementsprechend beschreibt KOZMA (1991, 179) mediengestütztes Lernen als "aktive Zusammenarbeit des Lerners mit dem Medium, um Wissen zu konstruie- ren". Je nach Medium wird dann mehr und anders gelernt. Der Computer unterschei- det sich von anderen Medien durch die Möglichkeit, Sachverhalte auf ganz unter- schiedliche Weise darzustellen (multiple Repräsentationen; vgl. TERGAN 1997). Lerner können diese Computer-Darstellungen nutzen, um Unterschiede zwischen ihren men- talen Modellen und den vom Computer dargestellten formalen Prinzipien herauszuar- beiten. In dem von LINN (1998, s.o.) vorgestellten fachdidaktischen Rahmen für den Compu- tereinsatz spielen die computerunterstützte Messwerterfassung in Echtzeit sowie die Möglichkeit zur Modellbildung und Simulation eine zentrale Rolle. Auf diese Formen des Computereinsatzes wird nun näher eingegangen, da sie bei der in den folgenden Kapiteln beschriebenen empirischen Untersuchung im Praktikum eingesetzt werden. 3-2 COMPUTERGESTÜTZTE MESSWERTERFASSUNG Die Ausstattung eines Praktikumsversuchs mit automatischer Messwerterfassung (MBL, für Microcomputer Based Laboratory) kann als grundlegende Form des com- putergestützten Experimentierens gelten. Typischerweise ist in solchen Experimenten der Computer mit Sensoren zur Erfassung physikalischer Größen wie Temperatur, Kraft, Spannung, etc. verbunden. Er hat also die Funktion eines flexiblen Messinstru- mentes (MOKROS & TINKER 1987). Die technischen Möglichkeiten einer solchen An- ordnung gehen über die von Standard-Laboratorien hinaus. Sie kann daher Lernenden die Durchführung eigenständiger Untersuchungen ermöglichen oder erleichtern (SCHECKER 1998a). Forschungsergebnisse zu MBLs Empirische Untersuchungen zur Wirkung von MBLs im Zusammenhang mit dem Ler- nen in den Naturwissenschaften wurden bisher fast ausschließlich im englischsprachi- gen Raum durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass vor allem drei Aspekte sich förderlich auf das Lernen im Praktikum auswirken:  Die zeitgleiche Darstellung physikalischer Vorgänge in graphischer Form.  Die Möglichkeit zur sofortigen Weiterbearbeitung der Daten im Computer.  Der mit der automatisierten Messwertaufnahme verbundene Zeitgewinn. Wenn der Computer beim Experimentieren zur Datenaufnahme genutzt wird, werden die Lernenden entlastet. Sie sind nicht mehr so sehr mit dem Aufnehmen von Daten oder durch technische Probleme beansprucht. Daher können sie mehr Zeit auf sorgfäl- tigeres Experimentieren und die Auseinandersetzung mit dem physikalischen Hinter- grund des Experiments verwenden (FRIEDLER et al. 1990; LAZAROWITZ & TAMIR 1994; BARTON 1998). THORNTON und SOKOLOFF (1990), sowie REDISH et al. (1997), zeigen, dass der Einsatz von MBL das physikalische Verständnis von Studierenden im Bereich der Kinematik KAPITEL 3: COMPUTEREINSATZ IM PRAKTIKUM18 deutlich verbessern kann. Sie führen dies vor allem auf die unmittelbare Verbindung von realen physikalischen Abläufen mit einem abstrakten Symbolsystem zurück. Auch andere Untersuchungen belegen, dass der Einsatz computergestützter Messwerterfas- sung das physikalische Verständnis von Graphen fördert (MOKROS & TINKER 1987, NACHMIAS & LINN 1987). BRASELL (1987) kann nachweisen, dass dabei der geringen zeitlichen Verzögerung zwischen Phänomen und Computerdarstellung eine entschei- dende Rolle zukommt. So entstehende Graphen werden von Schülern als dynamische Relationen verstanden, und nicht als statische Bilder (LINN et al. 1987). Beim Einsatz von computergestützter Messwerterfassung können außerdem die Zu- sammenarbeit und Diskussionen gefördert werden (THORNTON & SOKOLOFF 1990). Der Computer wird dabei als zusätzlicher Teilnehmer am Diskurs im Praktikum gese- hen. Er bietet den Studierenden Darstellungen an, die interpretiert werden müssen, um Zugang zu den gewonnenen empirischen Daten zu erhalten (KELLY & CRAWFORD 1996). Auch experimentelle Fähigkeiten, wie beobachten oder Vorhersagen zu treffen, können geschult werden (FRIEDLER et al. 1990). Die Interaktivität des Mediums er- laubt den Lernern, eigenständig Hypothesen zu entwickeln und zu überprüfen. Die unmittelbare Verfügbarkeit der Messdaten ermöglicht, dass Ergebnisse direkt im An- schluss an die Messungen ermittelt werden können. Im traditionellen Praktikum lässt sich dagegen eine „Entkopplung“ zwischen Experiment und Ergebnisinterpretation nicht vermeiden (REDISH et al. 1997). NAKLEH und KRAJCIK (1994) untersuchen, ob sich der Einsatz computergestützter Messwerterfassung auf das Verständnis von Schülern zur Säure-Base-Thematik aus- wirkt. Dazu werden Concept Maps von Schülern, die mit MBL arbeiten, mit Concept Maps von Schülern, die traditionelle Messmethoden einsetzen, verglichen. Die Concept Maps von Schülern der MBL-Gruppe weisen nach der Versuchsdurchführung deutlich mehr richtige und falsche Verbindungen auf als die der anderen Schüler. Offenbar för- dert die computergestützte Lernumgebung die Auseinandersetzung mit chemischen In- halten während des Experimentierens. Diese Ergebnisse werden von STEIN et al. (1990) allerdings nicht bestätigt. Sie verglei- chen das Lernverhalten von Schülern, die ein Praktikumsexperiment zum Thema Wärme mit bzw. ohne MBL durchführen. Die Analyse der Praktikumsberichte zeigt bei den Schülern keine Unterschiede im physikalischen Verständnis. Die Schüler der „tra- ditionellen Gruppe“ beschäftigen sich während der Datenaufnahme sogar häufiger mit physikalischen Inhalten als die der MBL-Gruppe. Der Zeitgewinn durch die computer- gestützte Messwerterfassung scheint weitgehend ungenutzt zu bleiben. Allerdings sind Schüler der „traditionellen Gruppe“ auch wesentlich häufiger mit versuchsfremden Dingen beschäftigt (off-task-behaviour). Die Autoren konzipieren daraufhin ein Prakti- kumsexperiment, das die Vorteile beider Lernumgebungen (traditionell und MBL) kombiniert. Bei der Durchführung dieses Experiments setzen sich die Schüler deutlich mehr mit physikalischen Inhalten auseinander und zeigen praktisch kein off-task- behaviour mehr. Dies zeigt, dass die Berücksichtigung von Forschungsergebnissen bei der Entwicklung computergestützter Praktika die Lernergebnisse von Schülern nachweislich verbessern 3-3 MODELLBILDUNGSSYSTEME UND SIMULATIONEN 19 kann (vgl. auch REDISH et al. 1997). Die meisten beschriebenen Untersuchungen bezie- hen sich allerdings auf Schülerpraktika. Empirische Befunde zum Einsatz computerge- stützter Messwerterfassung auf Hochschulebene fehlen. 3-3 MODELLBILDUNGSSYSTEME UND SIMULATIONEN Mit Modellbildungssystemen (MBS) kann die zeitliche Entwicklung von (physikali- schen) Systemzuständen modelliert und numerisch berechnet werden. Ein Modell kann dabei auf unterschiedlichen symbolischen Ebenen - durch graphische Symbole oder durch mathematische Symbole - repräsentiert werden. Die Ergebnisse von Simulati- onsläufen sind in Tabellen und Graphen darstellbar. Durch Eingabe von Randbedin- gungen kann mit diesem Modell eine reale Situation - etwa ein Praktikumsexperiment - simuliert werden. Bei einigen Modellbildungssystemen wird auf rein graphischer Ebene mit einem Bezie- hungsgeflecht von Modellgrößen gearbeitet, während die Übersetzung in den mathe- matischen Formalismus vom Computer übernommen wird. So werden mathematische Schwierigkeiten vermieden und Lernende können sich auf physikalische Inhalte kon- zentrieren (SCHECKER 1998). Es wird außerdem möglich, auch nichttriviale physikali- sche Probleme zu behandeln (NIEDDERER et al. 1991; TINKER 1993). Ein möglicher Nachteil von Modellbildungssystemen besteht allerdings darin, dass die Darstellung des physikalischen Modells mit Hilfe von Flussdiagrammen sich von der üblichen Dar- stellung der Physik (mit mathematischen Gleichungen) unterscheidet. Dies kann zu konzeptuellen Problemen seitens der Lernenden führen (DOERR 1996). Aktives Lernen durch Simulieren Nach VOSNIADOU (1992) und NIEDDERER et al. (1991) können derartige Werkzeuge Lernprozesse fördern, weil sie Lernern erlauben, ihre eigene Wahrnehmung bestimm- ter Situationen zu explizieren. Anhand der Simulationsergebnisse können sie dann ihre Vorstellungen überdenken und die Situation neu interpretieren und gegebenenfalls verändern. Dieser Prozess kann als ein sich wiederholendes Konstruieren und Über- prüfen von Hypothesen beschrieben werden. Dabei wird eine Vielfalt an problemlösen- den Fähigkeiten gefordert:  Die das System charakterisierenden Einflussgrößen müssen erkannt werden.  Die kausalen Zusammenhänge zwischen Variablen müssen verstanden bzw. defi- niert werden.  Die Richtigkeit und interne Konsistenz des konstruierten Modells muss beurteilt werden.  Die Ergebnisse müssen bezüglich ihrer Plausibilität diskutiert werden. (vgl. MOAR et al. 1992; DOERR 1997). Für BAGOTT (1998) ist die Aktivität des Lerners das entscheidende Kriterium für die Effektivität eines Simulationswerkzeugs. Dabei können die Gesetze der Lernumgebung entweder fest vorgegeben oder veränderbar sein. GILBERT und BOULTER (1998) unterscheiden daher zwischen zwei Benutzungs- KAPITEL 3: COMPUTEREINSATZ IM PRAKTIKUM20 moden: dem Simulieren (exploratory mode) und dem Modellieren (expressive mode). Im exploratory mode arbeiten die Lerner mit einem vorgefertigten Modell, indem sie nur bestimmte Zahlenwerte oder Informationen eingeben, um entsprechende Ergeb- nisse zu erhalten. Sie lernen dabei, wie sich ein bestimmtes Modell verhält („was ist wenn“-Fragestellung, BAGOTT 1998). Hierzu muss ein Lerner nicht wissen, was das Modell darstellt und wie seine Eingaben verarbeitet werden. Im expressive mode dage- gen legen die Lernenden selbst fest, welches die Variablen sind und wie sie zusammen- hängen. Anwendung physikalischen Wissens DOERR (1996) betont, dass beim Einsatz von Modellbildungssystemen dem Zusam- menhang zwischen Modell und konzeptuellem Wissen der Lernenden eine wichtige Rolle zukommt. Tatsächlich sprechen Befunde dafür, dass Simulationen geeignet sind, um alternative Vorstellungen von Lernern in Richtung von adäquaten Vorstellungen im Sinne einer naturwissenschaftlichen Disziplin zu verändern (conceptual change) (vgl. DOERR 1997; WINDSCHITL & ANDRE 1998). Es wird auch vermutet, dass sich durch die Benutzung von MBS die physikalische Kompetenz von Schülern im begrifflich- qualitativen Bereich verbessert (GERDES & SCHECKER 1997). Die lernfördernden Eigenschaften von MBS erhalten vor allem im Zusammenhang mit dem physikalischen Praktikum eine große Bedeutung. Durch die Kopplung von Modell und Experiment wenden Lerner ihre theoretischen Konzepte in einem praktischen Kontext an. Modellbildungssysteme können also helfen, nicht nur Dinge sondern auch „Ideen“ zu manipulieren (SCHECKER 1998a). SCHECKER plädiert deshalb dafür, MBL und MBS in einem integrierten Ansatz zu benutzen. Solche Systeme enthalten neben der Möglichkeit zur Messwerterfassung und einem Werkzeug zur Modellbildung und Simulation auch eine Komponente, die der Datenanalyse dient (etwa ein Tabellenkal- kulationsprogramm). Die experimentell gewonnen Daten stehen im Computer zur so- fortigen Weiterverarbeitung zur Verfügung. Sie können mit dem Ergebnis der Simulati- on verglichen werden. Dies kann zu einer Modifizierung des Modells oder - wenn die Lerner diese Freiheit haben - des Experiments führen. Hierzu müssen vom Lerner in- haltliche Kriterien entwickelt werden (DOERR 1996). Kapitel 4 PHYSIKLERNEN IM PRAKTIKUM - VERBINDUNG VON THEORIE UND PRAXIS 4-1 Lern- und kognitionspsychologische Aspekte 4-2 Handlungstheoretische Aspekte 4-3 Fachdidaktische Aspekte 4-1 LERN- UND KOGNITIONSPSYCHOLOGISCHE ASPEKTE Wissenserwerb in einer naturwissenschaftlichen Disziplin bedeutet, Konzepte zu entwi- ckeln, die im Einklang sowohl mit den empirischen Ergebnissen als auch mit dem theo- retischen Hintergrund des Faches stehen (KELLY & CRAWFORD 1996). Praktika bieten hierzu eine gute Möglichkeit. Die Lernenden organisieren ihre Handlung in überschau- baren und auf eingegrenzte physikalische Sachverhalte beschränkten Situationen. Dies kann helfen, die Adäquatheit der eigenen Konzepte zu überprüfen und die Korrektur falscher bzw. die Bildung neuer Konzepte unterstützen. Nach LAZAROWITZ & TAMIR (1994) sind geeignete Praktika für die Verknüpfung theoretischer Konzepte mit der Methodik wissenschaftlicher Argumentation und experimenteller Fähigkeiten sogar unbedingt notwendig. Wie in Kapitel 1 gezeigt wurde, ist die Verbindung von Theorie und Praxis eines der Hauptziele physikalischer Praktika. In Kapitel 2 wurden bereits Ansätze zur Gestaltung entsprechender Praktika aufgezeigt. Als theoretische Grundlage für eine empirische Erforschung der Lernbedingungen im Praktikum ist es jedoch nötig zu verstehen, wie praktische Erfahrungen Studierenden helfen können, ihre physikali- schen Konzepte zu überprüfen und weiterzuentwickeln. Lernen als Wissenskonstruktion Lernen kann durch die Angliederung neuer und die Entwicklung bereits vorhandener Bedeutungselemente beschrieben werden. Dieses Modell der kognitiven Entwicklung geht bereits auf PIAGET (1976) zurück und ist auch Bestandteil moderner kognitions- psychologischer Theorien. Innerhalb der propositionalen Netzwerkansätze spricht man von Wissenserwerb, wenn neue Propositionen mit vorhandenen Propositionen des Wissensnetzwerkes verknüpft werden (SCHEMANN 1995). Unter einer Proposition ver- steht man dabei eine Aussage, die zwei Variablen (Begriffe) miteinander verknüpft, und deren Wahrheit oder Falschheit sich eindeutig bestimmen lässt. KAPITEL 4: PHYSIKLERNEN IM PRAKTIKUM22 Einer der besten Prädiktoren für Lernen ist das Vorwissen (JONASSEN & GRABOWSKI 1993). Es beeinflusst auch das Experimentierverhalten (KLAHR & DUNBAR 1988). Da- bei kann zwischen verschiedenen Arten des Wissens unterschieden werden. Im Hin- blick auf Lern- und Problemlöseprozesse ist die Unterteilung in deklaratives, prozedu- rales und analoges Wissen üblich (MANDL 1996). Analoges Wissen dient dazu, bisherige Erfahrungen auf neue Situationen zu übertragen und damit handlungsfähig zu werden. MILLAR (1994), in Anlehnung an SCHANK & ABELSON (1977), beschreibt diesen Prozess (analogical reasoning) als Anwendung kognitiver Drehbücher (scripts), die auf verschiedenen Abstraktionsebenen stattfinden kann. Es können allgemeine scripts, wie z.B. „experimentieren im physikalischen Prak- tikum“, oder spezifischere scripts, wie z.B. „aus einer Wertetabelle einen Graphen zeichnen“, zum Einsatz kommen. Um in einer gegebenen Situation adäquat zu handeln, wird ferner deklaratives und pro- zedurales Wissen benötigt. Dabei bezeichnet deklaratives Wissen das Wissen über Fakten und Sachverhalte (knowing that). Es kann in Form von (propositionalen) Netz- werken dargestellt werden (vgl. ARBINGER 1991). Die typischen Lernmechanismen be- stehen in der Elaboration und der Organisation des deklarativen Wissens. Prozedurales Wissen dagegen ist Regel- oder Anwendungswissen (knowing how) und liegt der Aus- führung von Tätigkeiten zugrunde. Es wird in der Regel durch eine komplexe An- sammlung von „wenn-dann“-Verknüpfungen (Produktionssysteme) dargestellt und kann nur durch aktive Tätigkeit erlernt werden. MILLAR (1994) beschreibt den Unter- schied zwischen beiden Wissensarten mit der Fähigkeit, einerseits die Beschaffenheit eines Knotens erklären zu können (deklaratives Wissen), andererseits den Knoten knüpfen zu können (prozedurales Wissen). Allerdings sind die beiden Aspekte nicht voneinander zu trennen. Prozedurales Wissen kann immer auch als deklaratives Wis- sen dargestellt werden (OPWIS 1988; OBERAUER 1993; JONASSEN et al. 1993). Kognitiver Konstruktivismus Die Auffassung von Lernen als Wissenskonstruktion, ursprünglich in den Theorien der kognitiven Schemata und semantischen Netzwerke (RUMELHART & NORMAN 1978) verankert, ist zentraler Gegenstand des kognitiven Konstruktivismus. Es handelt sich dabei um eine Annahme über die Natur der Erkenntnis, die sowohl der kognitionstheo- retischen als auch der konstruktivistischen Sichtweise gerecht wird. Sie wird gegenwär- tig von vielen Lernforschern akzeptiert (DERRY 1996). Die konstruktivistische Perspek- tive dominiert seit mehreren Jahren als Paradigma der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung. Nach DUIT (1995) hat sie sich in diesem Gebiet als sehr fruchtbar erwiesen und viel zur Weiterentwicklung des Unterrichts beigetragen. Nach der konstruktivisti- schen Auffassung beruht das gesamte konzeptuelle Verständnis einer Person auf der Basis der vorhandenen Vorstellungen. Wissen ist damit ausschließlich in der Erfah- rungswelt des Individuums anzusiedeln (FISCHER 1990). Dabei werden solche Hand- lungsschemata und Begriffstrukturen aufgebaut, die sich im Laufe der Erfahrung als brauchbar erweisen („Viabilität“ ; GLASERSFELD 1997). Lernen findet statt, wenn Phä- nomene oder Situationen nicht mehr unter der Zuhilfenahme der vorhandenen Kennt- nisse erklärt bzw. bewältigt werden können. 4-1 LERN- UND KOGNITIONSPSYCHOLOGISCHE ASPEKTE 23 Konzept- und objektbezogenes Handeln Mit diesen Annahmen beschreibt FISCHER (1994) Lernen als Entwicklung kognitiver Teilsysteme. Teilsysteme (subjektive Erfahrungsbereiche; vgl. BAUERSFELD 1983) sind die Bereiche des kognitiven Systems, die an der Handlungsregulation eines Indivi- duums in einer bestimmten Situation beteiligt sind. In diesem Modell bedeutet Lernen eine Veränderung der inneren Struktur des kognitiven Systems. Sie ist mehr oder weni- ger komplex. Im einfachsten Fall werden nur einzelne Objekte identifiziert bzw. mani- puliert oder ihnen Eigenschaften zugewiesen (niedrige Komplexitätsebene). Im kom- plexesten Fall sind gemeinsame Merkmale zu Prinzipien und Systemen zusammengefasst, mit Hilfe derer Situationen komplex wahrgenommen und die eige- nen Handlungen entsprechend reguliert werden können (hohe Komplexitätsebene) (siehe Abb. 4.1). Die innere Struktur des kognitiven Systems bestimmt also, ob mit Ob- jekten oder mit „Ideen“ (Konzepten) manipuliert werden kann (vgl. LUNETTA 1998; siehe Kapitel 2, S. 9). Im hier vorgeschlagenen Modell wird eine zweistufige Unterscheidung bezüglich der bei der Handlungsregulation erbrachten kognitiven Leistungen getroffen: Die hand- lungsleitenden Kognitionen können auf einer deskriptiven Ebene (objektbezogenes Handeln) oder auf einer abstrakten Ebene (konzeptbezogenes Handeln) liegen. Bezo- gen auf Physik sind abstrakte kognitive Leistungen dadurch charakterisiert, dass physi- kalische Konzepte zueinander in Beziehung gesetzt werden (siehe das Beispiel in Abb. 4.1). Es wird physikalisch-theoriegeleitet gehandelt. Bei deskriptiven kognitiven Leis- tungen beziehen sich die handlungsleitenden Kognitionen nur auf Objekte und deren Eigenschaften. Im empirischen Teil der Arbeit wird dieser Sachverhalt mit der Formu- lierung ‚Handlungsregulation auf der deskriptiven bzw. abstrakten (kognitiven) Ebene‘ beschrieben. BESCHREIBUNG HANDLUNG KOGNITIONEN BEISPIEL* HO HE KO MP LE XIT ÄT S- EB EN E gemeinsame Merkmale werden zu Prinzipien und Systemen zusam- mengefasst und ange- wandt konzept- bezogenes Handeln abstrakte kognitive Leistungen (manipulating ideas; LUNETTA 1998) „Bei einer harmoni- schen Schwingung ist die rücktreiben- de Kraft proportio- nal zur Auslen- kung.“ NI ED RIG E KO MP LE XIT ÄT S- EB EN E Objekte werden wahr- genommen, manipu- liert oder in Beziehung gesetzt; Handlungs- programme werden durchgeführt objekt- bezogenes Handeln deskriptive kognitive Leistungen (manipulating objects) „Wenn ich das Gewicht an die Fe- der hänge, zieht die Feder es nach o- ben.“ Abbildung 4.1: Vereinfachte Darstellung der Komplexitätsebenen kognitiver Teilsysteme und der zugehörigen Handlungsregulation nach FISCHER (1994) (*Beispiele für an der Handlungsregulation beteiligte Kognitionen). KAPITEL 4: PHYSIKLERNEN IM PRAKTIKUM24 4-2 HANDLUNGSTHEORETISCHE ASPEKTE Menschliches Handeln wird durch Ziele geleitet, die durch Motive mit Wert versehen werden. Durch das Ziel wird ein Handlungsergebnis kognitiv antizipiert und dient der handelnden Person als Sollwert, der dem Vergleich mit dem tatsächlichen Resultat der Handlung zugrunde gelegt wird (HACKER 1986). Damit ist eine grundlegende Annahme psychologischer Handlungstheorien bereits be- schrieben. Diese Theorien gehen davon aus, dass menschliches Verhalten erklärt wer- den kann, wenn (1) die Ziele als entscheidende Determinanten der Handlung bekannt sind und (2) bekannt ist, wie die Situation, in der gehandelt wird, diese Ziele beein- flusst. Das bedeutet, dass mit Aufgaben bestimmte Ziele - selbst- oder fremdbestimmt - verbunden sind, mit Hilfe derer Menschen ihr Verhalten selbst regulieren und somit aktiv verändernd in die Umwelt eingreifen. Eine solche Beschreibung unterscheidet sich grundlegend von früheren behavioristischen oder neobehavioristischen Beschrei- bungen menschlichen Verhaltens, wie sie etwa unter dem S-R-Paradigma (Stimulus- Response-Paradigma) formuliert wurden (vgl. CRANACH et al. 1980). Ebenen der Handlungsregulation In psychologischen Handlungstheorien wird die menschliche Handlungsregulation immer auf verschiedenen Ebenen beschrieben (HACKER 1986; RASMUSSEN 1986; DÖRNER 1993; VOLPERT 1994). Darin spiegelt sich die grundlegende Erkenntnis wie- der, dass Handlungen einerseits automatisch, mittels sensumotorischer Aktionspro- gramme ablaufen, andererseits aber auch bewusst durch komplexe Planungsprozesse gesteuert werden können. Dementsprechend werden auch in all diesen Theorien ver- schiedene Arten von Gedächtnisrepräsentationen angenommen, die sich als wissenba- sierte Grundlage des Handelns verstehen lassen (MANDL 1996). DÖRNER (1993) stellt in seinem „Basisprogramm der Verhaltensregulation“ einen Zu- sammenhang zwischen dem Verhalten und dem aufgaben- bzw. problembezogenen Wissen des jeweiligen Individuums her. Dabei werden auch Verfahren zur Weiterent- wicklung des Wissens berücksichtigt. An Überlegungen von RASMUSSEN (1986) an- knüpfend entwickelt er folgende Stufen der menschlichen Handlungsregulation, von denen die jeweils nächsthöhere erst zum Tragen kommt, wenn die Handlung auf der vorhergehenden Ebene nicht zum gewünschten Erfolg führt:  Automatismen: Auf der untersten Stufe der Handungsregulation wird eine im Ge- dächtnis fest als sensumotorisches Verhaltensprogramm verankerte, zielführende Kette von Verhaltensweisen aktiviert. Es wird entschieden, ob eine Situation zu einem bestimmten sensumotorischen Schema passt und daraufhin dieses abge- spielt. Dieser Vorgang geschieht unbewusst. Dabei werden die spezifischsten Pro- gramme zuerst eingesetzt. Erst bei Schwierigkeiten weicht man auf allgemeinere Programme aus. Beispiel: Man nimmt ein Kabel in die Hand und steckt sein Kontaktende an ein Bauteil eines elektrischen Schaltkreises  Das Strommessgerät zeigt nichts an  Intuitiv wird zunächst am Kabel gerüttelt. 4-2 HANDLUNGSTHEORETISCHE ASPEKTE 25  Planendes Denken: Auf der zweiten Stufe der Handlungsregulation werden ziel- führende Ketten von Verhaltensweisen konstruiert. Dies wird erst dann versucht, wenn sich keiner der vorhandenen Automatismen als brauchbar erweist oder für eine Situation kein Automatismenwissen vorhanden ist. Das planende Denken ist ein bewusster Vorgang und setzt nach einer Analysephase ein (Hat man Details un- berücksichtigt gelassen? Hat man einen grundsätzlichen Fehler begangen?). Grund- voraussetzung für planendes Denken ist, dass Wissenselemente vorhanden sind, die man neu zusammensetzen kann. Beispiel: Auch das Kabelrütteln war erfolglos  Man wendet sich der Schaltung zu  Hat man vergessen, das andere Ende des Kabels anzuschließen?  Antwort: Nein  Ist die Schaltung falsch?  Antwort: Ja. Plus- und Minuspol sind direkt miteinander verbunden  Planendes Denken: Plus an Minus bedeutet Kurzschluss; bei Kurzschluss entsteht kein Strom; wenn der Kurzschluss entfernt wird, kann also Strom entstehen  Der Kurzschluss wird entfernt.  Exploration: Diese Stufe der Verhaltensregulation wird relevant, wenn kein aus- reichendes Wissen vorhanden ist. Es muss also Wissenserwerb stattfinden. Hand- lungsmuster des Wissenserwerbs sind z.B. „trial and error“, abwartende Beobach- tung, oder Interaktion mit anderen Personen. Die Art des eingesetzten Wissenserwerbs hängt von der Art des Problems, von Persönlichkeitsmerkmalen und von kulturspezifischen Merkmalen ab. Beispiel: Man kann sich die Nichtexistenz des Stromes nun nicht mehr mit Hilfe vor- handener Wissenselemente erklären  (a) Man probiert alle möglichen Schaltkombi- nationen aus oder (b) man fragt den Lehrer um Hilfe oder (c) man liest nach, um vor- handenes Wissen zu ergänzen und so handlungsfähig zu werden oder... Ergänzend muss angemerkt werden, dass DÖRNER in seinem Modell der Verhaltensre- gulation noch wesentlich weiter geht. Alle einzelnen Schritte können auf ganz unter- schiedliche, variable Weise ablaufen. Dabei spielen konkurrierende Motive oder Selbst- einschätzungen, wie z.B. das eigene Kompetenzempfinden, eine Rolle. Die Behandlung einer Absicht (eines Ziels) wird also durch die psychische Gesamtkonstellation modu- liert (DÖRNER 1993; siehe auch HORSTENDAHL 1999). Freiheitsgrade des Handelns Einige der erwähnten Handlungstheorien sind in der Arbeitspsychologie verankert. Auch in diesen Ansätzen werden - mit einem anderen Begriffsystem - Ebenen der Handlungsregulation beschrieben (HACKER 1986; VOLPERT 1994). In direktem Zu- sammenhang mit diesen Ebenen wird dort der Freiheitsgrad, den eine Situation zum Handeln lässt, als weitere Variable diskutiert. Der Freiheitsgrad gibt an, wie genau die Abfolge der einzelnen Handlungsschritte durch einen Arbeitsauftrag vorgegeben ist. Ohne Freiheitsgrade wird Handeln reduziert auf die zwei Möglichkeiten, etwas zu tun oder es nicht zu tun. Bei wenigen Freiheitsgraden wird die Modifikation vorgegebener Abfolgen von Teiltätigkeiten möglich, wobei einfache Handlungsschemata ablaufen. In einer Situation mit vielen Freiheitsgraden muss planerisch gehandelt werden, um eine sinnvolle Abfolge von Tätigkeiten selbst zu entwerfen. Da es hierbei nicht auf der Hand KAPITEL 4: PHYSIKLERNEN IM PRAKTIKUM26 liegt, wie die Ausgangssituation mit dem Ziel verbunden ist, muss auf vorhandenes Wissen zurückgegriffen oder neues Wissen erworben werden. Folgen für die Gestaltung von Arbeits- und Lernbedingungen An dieser Stelle wird deutlich, dass aus der theoretischen Beschreibung menschlichen Handelns Kriterien für die Gestaltung menschlicher Arbeits- und Lernbedingungen ab- geleitet werden können. Nur wenn die Bedingungen so gestaltet sind, dass die damit verbundenen Ziele nicht durch einfache Verhaltensweisen oder Aktionsprogramme er- reicht werden können, müssen vorhandene Kenntnisse und Fähigkeiten aktiviert wer- den, um die Handlung zu regulieren. Hier decken sich Forderungen, wie sie die Ar- beitspsychologie an die Gestaltung von persönlichkeitsförderlichen Arbeitsbedingungen stellt (vgl. VOLPERT 1994) mit Forderungen, wie sie sich aus den konstruktivistisch- fachdidaktischen Ansätzen an die Gestaltung von Lernbedingungen ergeben. Nach diesen Forderungen sollen Lernumgebungen offen gestaltet werden. Sie sollen zu durchdachtem Experimentieren, zur Diskussion und zur Aufhebung von kognitiven Konflikten anregen, indem die vorhandenen Vorstellungen von Lernenden an der wahrgenommenen Realität überprüft werden können (vgl. etwa FISCHER 1990; DUIT 1995; siehe auch Kapitel 2). Zur zentralen Fragestellung wird dabei, wie angeleitet die Handlung sein muss, damit die Lernprozesse erfolgreich (im Sinne der Erwartungen) verlaufen, und wie offen die Situation für die Lernenden sein muss, damit ihre eigene theoretische Basis weiterentwickelt werden kann (ROLF & FISCHER 1996). Von OLSEN et al. (1996, 787) wird dieser Sachverhalt als „the dilemma of preordinained science and student autonomy“ bezeichnet. 4-3 FACHDIDAKTISCHE ASPEKTE Mit den beiden vorangegangenen Abschnitten ist der theoretische Rahmen für eine Be- schreibung des Physiklernens im Praktikum abgesteckt. Zusätzlich zu den Ebenen der Handlungsregulation und der Kognition muss aber noch eine inhaltliche Dimension be- rücksichtigt werden, die dem Paradigma der Physik bzw. der thematischen Struktur der Lernumgebung gerecht wird. Der Begriff Lernumgebung steht hier für äußere Lernbe- dingungen und umfasst ein Arrangement von Unterrichtsmethoden, Lernmaterialien und Medien. Er beinhaltet auch die aktuelle zeitliche, räumliche und soziale Lernsitua- tion, die in einen kulturellen Kontext eingebettet ist (MANDL & REINMANN- ROTHMEIER 1995). Physiklernen und Handeln Mit den vorangegangenen Abschnitten kann die Wissensstruktur eines Individuums als eine wesentliche Voraussetzung dafür beschrieben werden, eine Lernumgebung mehr oder weniger komplex wahrzunehmen und die eigene Handlung mehr oder weniger komplex zu regulieren. Bezogen auf das physikalische Praktikum umfasst das struktu- relle Wissen einer Studentin oder eines Studenten physikalisch-theoretische Konzepte, aber auch das Wissen über experimentelle Apparaturen und Vorgehensweisen. Aus den 4-3 FACHDIDAKTISCHE ASPEKTE 27 bisherigen Darstellungen folgt, dass die Verbindung von Theorie und Praxis im physi- kalischen Praktikum dann gelingt, wenn Lernende ihr Wissen über physikalisch- theoretische Zusammenhänge nutzen, um die eigene Handlung zu regulieren. Dabei kann studentisches Handeln in Interaktion mit Materialien oder Geräten sowohl im Hinblick auf die Aufgabe als auch im Hinblick auf die zu ihrer Bearbeitung erbrach- ten kognitiven Leistungen auf verschiedenen Ebenen geschehen. Gemeint sind einer- seits Ebenen der Handlungsregulation (Automatismen vs. Planendes Denken vs. Explo- ration) und andererseits Komplexitätsebenen des in die Handlung involvierten kognitiven Systems (konzeptbezogenes vs. objektbezogenes Handeln). Dabei kann auf jeder Ebene der Handlungsregulation nach DÖRNER (s.o.) objektbezogen oder kon- zeptbezogen vorgegangen werden. So kann zum Beispiel einerseits, wie bereits be- schrieben, Exploration durch auf Zufall ausgerichtetes Herumprobieren geschehen (konzeptlos), andererseits kann die Anwendung komplexer - z.B. physikalischer - Prin- zipien so verinnerlicht sein, dass sie als Automatismus abrufbar ist (konzeptbezogen). HORSTENDAHL (1999) verknüpft die Komplexitäts-ebenen der Kognition nach FISCHER (1994, s.o.) mit dem Theoriegehalt physikalischer Argumentation und integ- riert beides in das Basisprogramm der Verhaltenregulation (DÖRNER 1993, s.o.). Das Grundgerüst des Modells ist in Abbildung 4.2 dargestellt. konzeptbezogenExploration objektbezogen konzeptbezogenPlanendes Denken objektbezogen konzeptbezogenAutomatismen objektbezogen Abbildung 4.2: Vereinfachte Darstellung des Handlungsrahmens von Schülern im Physik- unterricht nach HORSTENDAHL (1999). Dieses Modell gilt für menschliches Handeln und Wahrnehmen, ohne dass eine inhalt- liche Spezifizierung stattfinden müsste. Im physikdidaktischen Zusammenhang inte- ressieren jedoch besonders die handlungsleitenden physikalischen Konzepte. Um das Modell noch besser an die zu beschreibende Situation anzupassen, kann daher eine thematische Strukturierung in geeignete Inhaltsbereiche stattfinden. HORSTENDAHL (1999) etwa trennt zwischen Alltagsbeschreibungen physikalischer Sachverhalte einer- seits und adäquaten Beschreibungen im Sinne des Paradigmas der Physik andererseits. Diese Einteilung erweist sich als sinnvoll, wenn man Lernprozesse von Schülern analy- siert. Durch Einbeziehung des sozialen Inhaltsbereichs unter Berücksichtigung motiva- tionaler Komponenten, gelingt es HORSTENDAHL mit diesem Modell erstmals, motiva- tionale Orientierungen beim Lernen im handlungsorientierten Physikunterricht zu untersuchen. KAPITEL 4: PHYSIKLERNEN IM PRAKTIKUM28 Inhaltliche Struktur des Hochschulpraktikums Bei der Anwendung des Modells auf das physikalische Praktikum an der Universität müssen andere inhaltliche Aspekte berücksichtigt werden als in schulischen Situatio- nen:  Die Lernumgebung ist von der materiellen Ausstattung her anspruchsvoll. Es wird nicht nur mit einfachen Materialien, sondern auch mit komplexen technischen Ge- räten und Versuchsaufbauten umgegangen.  Der Aspekt der Messung und des methodischen Vorgehens spielt - zumindest nach den meisten Curricula (vgl. Kapitel 1) - eine wesentlich größere Rolle als etwa in schulischen Lernumgebungen. In Anlehnung an die Lernzielbereiche, die mit der Durchführung von Praktika in Ver- bindung gebracht werden (physikalische Konzepte, analytische Fähigkeiten, experi- mentelle Fertigkeiten; siehe Kap. 1) kann man das physikalische Hochschulpraktikum demnach wie in Abbildung 4.3 dargestellt strukturieren. Abbildung 4.3: Inhaltliche Struktur des physikalischen Praktikums. Eine ähnliche Strukturierung benutzt BÉCU-ROBINAULT (1997), um Lernprozesse von Schülern im Praktikum zu beschreiben. Dabei findet die Handlung von Lernenden beim Experimentieren im Spannungsfeld zwischen zwei kognitiven Welten, der „Welt der Theorien und Modelle“ (monde des théories et modèles) und der „Welt der Dinge“ (monde des choses) statt. Die Messungen (mesures) und die zugehörigen mathemati- schen Analyseverfahren liegen - vereinfacht dargestellt - dazwischen und setzen beide Welten miteinander in Beziehung. BÉCU-ROBINAULT stützt sich dabei auf erkenntnis- theoretische Positionen von KUHN (1983) und FEYNMAN (1980). Danach ist Physik kein rein formales Gebilde, sondern weist einen permanenten Bezug zu Objekten und Ereignissen auf. Umgekehrt ist die Physikerin oder der Physiker aber gezwungen zu Physikalischer Bereich theoretischer Hintergrund des Experiments Technischer Bereich Funktionsweise der Geräte Versuchsaufbau Methodischer Bereich Messverfahren Datenanalyse 4-3 FACHDIDAKTISCHE ASPEKTE 29 abstrahieren, will sie bzw. er über die simple Wahrnehmung von Phänomenen hinaus- gehen. Somit wird die hier vorgeschlagene inhaltliche Strukturierung der Praktikums- Lernumgebung sowohl von fachdidaktischer als auch von erkenntnistheoretischer Seite gestützt. Handeln und Lernen im physikalischen Praktikum Fasst man diese Überlegungen zusammen, so erhält man einen theoretischen Rahmen für die Beschreibung des Physiklernens im Praktikum, in dem sowohl kognitionspsy- chologische als auch handlungstheoretische und fachdidaktische Aspekte berücksichtigt sind (siehe Abb. 4.4). TECHNISCHER INHALTSBEREICH (Geräte, Abläufe) METHODISCHER INHALTSBEREICH (Messverfahren) PHYSIKALISCHER INHALTSBEREICH (Theorie) konzeptbezogen konzeptbezogen konzeptbezogenExploration objektbezogen objektbezogen objektbezogen konzeptbezogen konzeptbezogen konzeptbezogenPlanendes Denken objektbezogen objektbezogen objektbezogen konzeptbezogen konzeptbezogen konzeptbezogenAutomatismen objektbezogen objektbezogen objektbezogen Abbildung 4.4: Inhaltsbezogener Handlungsrahmen von Studierenden im physikalischen Praktikum. Bei den grau unterlegten Handlungsweisen kann von manipulating ideas ge- sprochen werden. Im Hinblick auf die Verbindung von Theorie und Praxis und die Weiterentwicklung physikalischer Konzepte wird gewünscht, dass die Studierenden im Praktikum Ideen statt Geräte manipulieren (GUNSTONE 1991; LUNETTA 1998; s.o.). Dahinter steht der Gedanke, dass Konzepte (ideas) bewusst zur Handlungsregulation eingesetzt werden sollen. Nur so kann die Notwendigkeit entstehen, sie zu hinterfragen oder zu verän- dern. Da Automatismen im handlungstheoretischen Sinne unbewusst ablaufen, sind Konzepte, wenn sie in Automatismen verwandt werden, nicht bewusstseinsfähig (vgl. HACKER 1986). Deshalb kann das Manipulieren von „Ideen“ nur auf den Handlungs- ebenen des planenden Denkens und der Exploration stattfinden. Vor dem in diesem Kapitel beschriebenen theoretischen Hintergrund muss eine Analy- se studentischer Praktikumsarbeit im Hinblick auf den physikalischen Inhaltsbereich also unter folgender Fragestellung geschehen: Inwieweit werden bei der Praktikumsar- beit von den Studierenden bewusst physikalische Konzepte benutzt oder in Frage ge- stellt? E M P I R I S C H E R T E I L Kapitel 5 ZIELE DER UNTERSUCHUNG ROTH et al. (1997), sowie LUNETTA (1998), stellen fest, dass es an empirischen Unter- suchungen, die sich mit Lernen im Praktikum befassen, mangelt. Es ist bei der Fülle an Veröffentlichungen zum Thema in der Tat erstaunlich, wie wenig aktuelle empirische Befunde es gibt. Die in der Literatur geführte Diskussion um die Effektivität bestehen- der Praktika stützt sich zum Großteil auf Untersuchungen, die in den 70er-Jahren und Anfang der 80er-Jahre durchgeführt wurden (siehe Kap. 2). Die neueren Veröffentli- chungen der 90er-Jahre beschäftigen sich dagegen hauptsächlich mit den spezifischen Auswirkungen neuer Technologien, z.B. der computergestützten Messwerterfassung, auf das naturwissenschaftliche Lernen (siehe Kap. 3). Hinzu kommt, wie schon erwähnt, dass sich nur wenige Untersuchungen auf Hoch- schulpraktika beziehen. Diese zeichnen sich gegenüber Praktika auf Schulniveau durch besondere Rahmenbedingungen aus. Die Experimente beruhen häufig auf einem kom- plexen theoretischen Hintergrund, der von den Studierenden schon im Vorfeld der Ver- suchsdurchführung erarbeitet werden muss. Außerdem werden technisch anspruchs- volle Versuchsaufbauten und Messverfahren eingesetzt (vgl. Kap. 4). In Deutschland gibt es überhaupt keine empirischen Befunde darüber, wie und was im physikalischen Praktikum gelernt wird. Angesichts der hohen Erwartungen, die mit Praktika verknüpft werden, angesichts des hohen Stellenwertes, den das Praktikum im Physikstudium ein- nimmt und angesichts des mit dem Praktikum verbundenen finanziellen, personellen und materiellen Aufwandes ist dies verwunderlich. Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, erstmals das Lernen im physi- kalischen Praktikum an einer deutschen Universität empirisch zu untersuchen. Die Er- gebnisse der Arbeit können als Diskussionsgrundlage für mögliche Verbesserungen der experimentellen Ausbildung dienen. Sie werden außerdem durch Ergebnisse weiterer aktueller Untersuchungen ergänzt (HALLER 1999, SANDER 1999). Bei zukünftigen Veränderungen der Organisation oder der Inhalte von Praktika wird der Computer vermutlich eine große Rolle spielen. Davon ist allein schon aufgrund der gesellschaftlichen Bedeutung dieser Technologie und der rasanten Entwicklung ent- sprechender Hard- und Software auszugehen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist daher, KAPITEL 5: ZIELE DER UNTERSUCHUNG32 zu untersuchen, inwiefern der Computereinsatz geeignet ist, die Bedingungen des Phy- siklernens im Anfängerpraktikum zu verbessern. Dabei wird die Anwendung des Com- puters zur Messwerterfassung und -bearbeitung einerseits und zur Modellbildung und Simulation andererseits untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung sollen helfen, den Computer gezielt im Praktikum einzusetzen. Hierfür sollen der Wissenserwerb und die Handlungen von Studierenden, die ein Prak- tikumsexperiment auf traditionelle Weise durchführen, mit dem Wissenserwerb und den Handlungen von Studierenden verglichen werden, die das gleiche Experiment computerunterstützt durchführen. Als theoretische Grundlage dient der in Kapitel 4 vorgestellte Rahmen, der kognitionspsychologische und handlungstheoretische Kon- zepte berücksichtigt. Im Mittelpunkt der Untersuchung steht also die Frage, inwieweit im Praktikum physikalisches Wissen angewandt und erworben wird, und welche Be- dingungen hierfür besonders förderlich oder besonders hemmend sind. Damit erfolgt eine Beschränkung auf einen bestimmten Aspekt des physikalischen Praktikums, die Verbindung von Theorie und Praxis. Wie in Kapitel 1 diskutiert, ist dies nicht der einzige Blickwinkel, unter dem Praktika zu beurteilen sind. Genauso wichtig sind motivationale und epistemologische Gesichtspunkte, sowie die Vermittlung von experimentellen Fertigkeiten. Es liegt aber auf der Hand, dass nicht all diese Aspekte in einer Untersuchung betrachtet werden können. Für jeden der genannten Forschungs- gegenstände sind besondere Untersuchungsmethoden notwendig, was die hier vorge- nommene Einschränkung rechtfertigt. Im Zusammenhang mit der Ergebnisdiskussion werden aber einige der genannten Aspekte nochmals angesprochen. Fragestellungen Die Untersuchung soll folgende Fragestellungen beantworten:  Wird durch die Durchführung eines Versuchs des physikalischen Anfängerprakti- kums an der Universität physikalisches und experimentelles Wissen erworben, und wodurch ist dieses Wissen charakterisiert? Um diese Frage zu beantworten, werden in der Untersuchung Wissenstests einge- setzt, die vor und nach einem Praktikumsexperiment erhoben werden. Um Aussagen über den inhaltlichen Charakter und die Komplexität der Wissensstrukturen treffen zu können, werden Begriffsnetze benutzt.  Benutzen Studierende ihr physikalisch-theoretisches Wissen zur Handlungsregula- tion während der Praktikumsarbeit, und, wenn ja, unter welchen Bedingungen? Dies mündet in die Frage, welche Tätigkeiten beim Experimentieren die Entwick- lung, Anwendung und Überprüfung von eigenen theoretischen Konzepten der Lernen- den fördern. Zur Beantwortung dieser Frage werden Videoaufzeichnungen der Prakti- kumsarbeit analysiert. Da die Methoden sowohl der Videoanalyse als auch der Begriffsnetzanalyse aus dem gleichen theoretischen Hintergrund (siehe Kap. 4) abge- leitet werden, kann auch untersucht werden, ob ein Zusammenhang zwischen der Handlungsregulation im Praktikum und dem Wissenserwerb besteht. ZIELE DER UNTERSUCHUNG 33  Gibt es beim Einsatz des Computers zur Messwerterfassung und zur Modellbildung Unterschiede in der Handlungsregulation und in der Wissensstruktur der Studie- renden gegenüber traditionellem Praktikum? Mögliche Gründe für derartige Unterschiede wurden bereits in Kapitel 3 diskutiert. Danach kann man vermuten, dass die beiden genannten Anwendungen des Computers das Lernen physikalischer Konzepte im Praktikum fördern. Darüber hinaus soll die Untersuchung Aufschluss darüber geben, ob ein derartiger Computereinsatz, insbeson- dere das Modellbildungssystem, an der Universität ohne weiteres möglich ist oder zu Problemen im physikalischen Verständnis der Studierenden führt. Aufbau des empirischen Teils der Arbeit Im folgenden Kapitel 6 wird zunächst auf das Design und die Rahmenbedingungen der Untersuchung, sowie auf die eingesetzten Instrumente und die Hypothesen, eingegan- gen. In Kapitel 7 werden die für die Untersuchung ausgewählten Praktikumsexperi- mente und der Ablauf der Untersuchung beschrieben. Die weiteren Kapitel sind den Methoden der Datenanalyse und den Ergebnissen der Untersuchung gewidmet. In einem ersten Schritt werden die Methode zur Videoanalyse und die zugehörigen Ergeb- nisse vorgestellt (Kapitel 8 und 9). Die Kapitel 10 und 11 enthalten die Methode zur A- nalyse der Begriffsnetze und die zugehörigen Ergebnisse. Im abschließenden Kapitel 12 werden die Untersuchungsergebnisse im Zusammenhang diskutiert, und es werden Folgerungen bezüglich der Gestaltung physikalischer Praktika abgeleitet. Kapitel 6 ANLAGE UND DESIGN DER UNTERSUCHUNG 6-1 Rahmenbedingungen 6-2 Anlage der Untersuchung 6-3 Untersuchungsdesign 6-4 Hypothesen 6-5 Erhebungsmethoden 6-1 RAHMENBEDINGUNGEN Die Untersuchung fand unter den üblichen Praktikumsbedingungen an der Universität Dortmund statt. Das Anfängerpraktikum ist fester Bestandteil des Physik- Grundstudiums. Es wird an der Universität Dortmund im dritten und vierten Semester absolviert, etwas später als an anderen Hochschulen. Dies führt dazu, dass die Studie- renden in der Regel ein fortgeschritteneres physikalisches Verständnis mitbringen als an anderen Universitäten. Das Praktikum unterliegt der Verantwortung eines Hoch- schullehrers, der sporadisch anwesend ist, um mit Studierenden zu diskutieren. Die eigentliche Organisation und die technische wie inhaltliche Verantwortung für die Ex- perimente liegt bei einem wissenschaftlichen Angestellten. Er wird dabei von einem Techniker unterstützt. Ablauf des Praktikums Im physikalischen Anfängerpraktikum führen die Studierenden jede Woche einen an- deren Versuch aus einem Pool von 42 Versuchen zu verschiedenen Themengebieten durch. Die einzelnen Experimente werden von den Studierenden in Eigenregie vorbe- reitet. Sie haben dazu eine detaillierte Versuchsbeschreibung und Anleitung zur Verfü- gung, die auch die relevante physikalische Theorie und die Aufgabenstellungen für den Versuch enthält (FINKE 1992). In der Anleitung sind ferner die einzustellenden Mess- bereiche, die einzusetzenden Auswerteverfahren, die zur Errechnung der Ergebnisse notwendigen Formeln und in manchen Fällen auch die zu erzielenden Messergebnisse angegeben. Die Experimente werden von den Studierenden in Zweiergruppen, jeweils an einem Nachmittag der Woche, in den Praktikumsräumen der Universität durchge- führt. Die Analyse der Daten und die Errechnung und Darstellung der geforderten Er- KAPITEL 6: ANLAGE UND DESIGN DER UNTERSUCHUNG36 gebnisse in einem Versuchsprotokoll findet dann wieder in Eigenregie statt. Die Zwei- ergruppen arbeiten während des ganzen Semesters über zusammen. Betreuung der Praktikumsarbeit Die Studierenden werden bei der Praktikumsarbeit von wissenschaftlichen Mitarbei- tern der physikalischen Lehrstühle, in der Regel Diplom-Physiker, betreut. Jeder Be- treuer bzw. jede Betreuerin ist während eines Semesters für zwei oder mehrere Versu- che zuständig. Die Betreuer haben keine didaktische Ausbildung. In einer Vorbesprechung werden sie über den organisatorischen Ablauf und die Bedingungen für die Scheinvergabe unterrichtet. Sie führen dann vor Praktikumsbeginn die Experi- mente probeweise durch und eignen sich das relevante technische und physikalische Fachwissen an. Während der Praktikumsarbeit helfen sie den Studierenden bei techni- schen Problemen und geben Anweisungen, wie viele Messwerte aufzunehmen und wie diese auszuwerten sind. Bewertung der Praktikumsarbeit Vor Beginn eines jeden Versuchs werden die Studierenden vom Betreuer oder der Betreuerin in einem Kolloquium geprüft. Dabei wird abgefragt, ob ausreichendes Wis- sen über den Ablauf und den physikalischen Hintergrund des Experiments vorhanden ist. Es gibt keine einheitlichen Kriterien dafür, wann dies der Fall ist. Das abgefragte Wissen lässt sich in der Regel durch Studium der entsprechenden Versuchsanleitung erwerben. Können die Studierenden über wesentliche Aspekte des durchzuführenden Experiments keine Auskunft geben, besteht die Möglichkeit, sie den Versuch nicht durchzuführen lassen. Sie erhalten dann einen Ersatztermin. Das Bestehen des Kollo- quiums sowie die Abgabe eines korrekten Versuchsprotokolls sind Vorraussetzung für die erfolgreiche Durchführung eines Versuches. Das Protokoll wird vom Betreuer oder der Betreuerin beurteilt. Es muss eine Darstellung der physikalischen Theorie, die Be- schreibung von Versuchsaufbau und Messung, die Messergebnisse sowie eine ausführ- liche Fehlerbetrachtung enthalten. Die Beschreibung der Theorie und des Versuchsauf- baus werden von den Studierenden in der Regel aus der Versuchsanleitung übernommen. Für eine festgelegte Anzahl von erfolgreich absolvierten Versuchen (24) erhalten die Studierenden den Schein für das Anfängerpraktikum. 6-2 ANLAGE DER UNTERSUCHUNG [In many] studies, behaviours were observed, described, and classified with no efforts to induce changes, to study the underlying conditions, or to find correlates with out- come measures. It may be seen, therefore, that little, if any, research attention has been drawn to the attractive possibility that these behaviour strategies of students may well be strongly related to their performance in and attitude toward laboratory activities (OKEBUKOLA 1985, 222). 6-3 UNTERSUCHUNGSDESIGN 37 Die vorliegende Untersuchung hat zwei Ziele. Zum einen werden die Handlungen (be- haviours) der Studierenden in verschiedenen Lernumgebungen beschrieben und analy- siert. Zum anderen sollen diese Lernumgebungen durch pre-post-Tests auf ihre Wirk- samkeit bezüglich bestimmter Hypothesen getestet werden. Damit wird die Handlungsregulation der Studierenden mit ihrem Lernerfolg verknüpft. Das methodi- sche Konzept der Untersuchung lässt sich in drei Schritten beschreiben (siehe auch NIEDDERER et al. 1999): (1) Es werden drei verschiedene Praktikums-Lernumgebungen betrachtet. Sie unter- scheiden sich im Hinblick auf die Art des Computereinsatzes. Mit der bestimmten Gestaltung einer Lernumgebung sind verschiedene Hypothesen bezüglich der da- durch bewirkten Lerneffekte verbunden. Die Lernumgebung soll bestimmte Hand- lungsweisen fördern, die wiederum zu bestimmten Lerneffekten führen sollen. (2) Die Beobachtung der Studierenden während der Praktikumsarbeit gibt Aufschluss darüber, inwieweit in einer Lernumgebung bestimmte Handlungsweisen auftreten. In dieser Untersuchung wird davon ausgegangen, dass die Auseinandersetzung mit physikalischen Konzepten Vorraussetzung für Physiklernen ist. (3) Eine Messung des Lernerfolgs gibt Aufschluss darüber, ob die beobachteten Hand- lungen zu den erwünschten Lerneffekten geführt haben. Vor der Beschreibung der Hypothesen und der Erhebungsmethoden wird zunächst das Untersuchungsdesign erläutert. 6-3 UNTERSUCHUNGSDESIGN Um Einflüsse konstant zu halten, die nicht den Computereinsatz betreffen, wird ein De- sign mit Vergleichsgruppen benutzt. Eine Gruppe von Versuchspersonen (Vpn) führt ein Praktikumsexperiment auf traditionelle Weise durch. Zwei weitere Gruppen führen das gleiche Experiment unter Verwendung des Computers durch. Dabei werden zwei verschiedene Einsatzmöglichkeiten des Computers getrennt untersucht: automatische Messwerterfassung, sowie Modellbildung und Simulation. Die Studierenden im traditi- onellen Praktikum dienen nicht nur als Kontrollgruppe, sondern sind auch selbst Ge- genstand des Forschungsinteresses. So werden mit der Untersuchung Erkenntnisse über das Lernen sowohl im traditionellen als auch im computergestützten Praktikum gewonnen. Für die Untersuchung wurden aus den Experimenten des physikalischen Anfänger- praktikums der Universität Dortmund zwei Experimente ausgewählt: I. Das Relaxationsverhalten eines RC-Kreises II. Anharmonische Schwingungen Die Kriterien für die Auswahl der Versuche, deren Inhalte, sowie die Gestaltung der drei verschiedenen Lernumgebungen sind in Kapitel 7 genauer beschrieben. Um die Rahmenbedingungen und die Reihenfolge der Lerninhalte konstant zu halten, wurden die beiden Treatment-Experimente von allen Vpn immer in zwei direkt aufein- KAPITEL 6: ANLAGE UND DESIGN DER UNTERSUCHUNG38 anderfolgenden Wochen durchgeführt. Die Versuche waren bezüglich der Bedeutung für den Scheinerwerb allen anderen im Laufe des Praktikums absolvierten Versuchen gleichwertig. (1) Für die „traditionelle“ Gruppe (TRAD) wurden keinerlei Änderungen an Aufbau und Ablauf der ausgewählten Versuche vorgenommen. Diese Vpn benutzen die Experi- mente so, wie sie seit vielen Jahren im Anfängerpraktikum angeboten werden. (2) Die Vpn der zweiten Gruppe (MBL) benutzen bei der Durchführung der beiden Ver- suche ein System zur computergestützten Messwerterfassung (CASSY; LEYBOLD 1994). Dabei ist der Versuchsaufbau über ein Interface mit einem PC verbunden. Die Daten werden in Echtzeit auf dem Bildschirm als Graph dargestellt und stehen auch in Tabellenform zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Damit wird eine so- fortige Auswertung der aufgenommenen Messwerte möglich. Dies geschah mit einem speziellen Programm zur Datenanalyse (ORIGIN; MICROCAL 1995), das auch von Wissenschaftlern der Experimentalphysik benutzt wird. (3) Die Vpn der dritten Gruppe (MBS) benutzte bei der Durchführung der beiden Ver- suche zusätzlich zur Messwerterfassung ein Modellbildungssystem (STELLA; HIGH PERFORMANCE SYSTEMS 1994). Mit dessen Hilfe erarbeiteten die Studierenden ein physikalisches Modell zum jeweiligen Experiment. Unter Eingabe der realen (ge- messenen) Parameter wird das Experiment numerisch simuliert. Das Modell kann dann anhand der experimentellen Messergebnisse überprüft werden bzw. umge- kehrt. Als Wissenstest wurden vor und nach dem jeweiligen Experiment Concept Maps, ver- bunden mit offenen Interviews, eingesetzt. Dies war notwendig, weil das erfolgreiche Durchführen des Praktikumsexperiments und die hierfür notwendige Wissensbasis oh- ne umfangreiche Voruntersuchungen nicht zu definieren sind. Die Struktur-Lege- Technik hat in einer solchen Situation den Vorteil, dass die individuelle Wissensbasis der Studierenden eingeschätzt werden kann. Für die Analyse der Handlungen bei der Versuchsdurchführung wurden die Studieren- den während ihrer Praktikumsarbeit per Video beobachtet. Insgesamt ergibt sich das in Abbildung 6.1 (nächste Seite) dargestellte Untersuchungsdesign. Die Erhebungsmetho- den sind weiter unten (Abschnitt 6-6) beschrieben. In Bezug auf die Rahmenbedingungen liegt der einzige Unterschied für die Vpn in An- zahl, Inhalt und Reihenfolge der vor und nach den Treatment-Experimenten absol- vierten Praktikumsversuche. Da die Untersuchung unter normalen Praktikumsbedin- gungen über ein Semester hinweg stattfand, und dabei die turnusmäßige Zuweisung der Studierenden zu den verschiedenen Versuchen einem komplizierten Muster folgt, war dieser Umstand nicht beeinflussbar. Die von einem Studenten über ein Semester hin- weg absolvierten Experimente bauen aber nicht aufeinander auf. Jeder Praktikumsver- such ist inhaltlich in sich abgeschlossen, und die physikalischen Themenbereiche zwei- er Versuche überschneiden sich nur in seltenen Fällen. Es wird daher davon ausgegangen, dass Inhalt und Reihenfolge der übrigen im Semester absolvierten Expe- rimente keinen bedeutenden Einfluss auf das Verhalten der Vpn bei der Durchführung 6-3 UNTERSUCHUNGSDESIGN 39 der Treatment-Experimente hat. Es ist allerdings nicht auszuschließen, dass die Studie- renden mit zunehmender Zahl von absolvierten Experimenten manuelle Fertigkeiten und prozedurales Wissen erwerben, die ihnen die Handlungsregulation im Praktikum erleichtern. Dies trifft vermutlich vor allem auf die Anfangsphase des Anfängerprakti- kums zu (nach Semesterbeginn). Dieser Aspekt wurde berücksichtigt. Die in den beiden ersten Wochen des Semesters aufgenommenen Daten gehen nicht in die Datenaus- wertung ein (siehe auch Kap. 7-3 zum Ablauf der Untersuchung). Physikalisches Anfängerpraktikum der Universität Dortmund 1996-1997 traditionell Lernumgebung TRAD traditionell weitere Versuche ... C M Versuch I RC-Relaxation C M C M Versuch II Anharmonische Schwingungen C M weitere Versuche ... Videoaufnahme Videoaufnahme traditionell Lernumgebung MBL traditionell weitere Versuche ... C M Versuch I RC-Relaxation C M C M Versuch II Anharmonische Schwingungen C M weitere Versuche ... Videoaufnahme Videoaufnahme traditionell Lernumgebung MBS traditionell weitere Versuche ... C M Versuch I RC-Relaxation C M C M Versuch II Anharmonische Schwingungen C M weitere Versuche ... Videoaufnahme Videoaufnahme Abbildung 6.1: Design der Untersuchung (TRAD = traditionell, MBL = Messwerterfassung, MBS = Messwerterfassung + Modellbildungssystem, CM = Concept Map). Die Betreuung der Praktikumsarbeit (s.o.) wurde für diese beiden Experimente vom Durchführenden der Untersuchung übernommen (wie die anderen Praktikums- Betreuer ebenfalls ein Diplom-Physiker). Damit ist anzunehmen, dass auch in Bezug auf die Betreuung alle Vpn ähnlichen Bedingungen unterworfen waren. Vpn, die die Versuche mit Computer durchführten, wurden in der Benutzung der Com- puterprogramme geschult (siehe Kap. 7-4). Es musste aber trotzdem damit gerechnet werden, dass bei der ersten eigenständigen Anwendung der Programme im Praktikum technische Probleme auftreten würden. Dem ersten Treatment-Experiment (Versuch I) kommt daher auch eine „Puffer“-Rolle zu. Es sollte gewährleistet werden, dass in min- destens einem der Experimente Probleme bei der Benutzung der verschiedenen Com- puterprogramme zu keinen erheblichen Unterschieden in der Handlungsregulation der Vpn führen. Durch die Vorschaltung von Versuch I kann davon ausgegangen werden, KAPITEL 6: ANLAGE UND DESIGN DER UNTERSUCHUNG40 dass diese Voraussetzungen spätestens bei der Durchführung von Versuch II erfüllt sind. 6-5 HYPOTHESEN In Kapitel 4 wurde gezeigt, dass studentisches Handeln im Hinblick auf die bei der Praktikumsarbeit erbrachten kognitiven Leistungen auf unterschiedlichen Ebenen stattfinden kann (konzeptbezogenes vs. objektbezogenes Handeln; siehe Abb. 4.1, S. 23). Die bisherigen Befunde zum Lernen im Praktikum lassen, wie in Kapitel 2-1 darge- stellt, vermuten, dass in vielen Praktika die Handlungsregulation der Lerner auf einer niedrigen kognitiven Ebene stattfindet, und dass dabei wenig physikalisches und expe- rimentelles Wissen erworben wird. Andererseits belegen, wie in Kapitel 3 dargestellt, zahlreiche Forschungsergebnisse, dass der Einsatz computergestützter Messwerterfas- sung und der Einsatz eines Modellbildungssystems sich förderlich auf die Auseinander- setzung mit physikalischer Theorie und auf das Lernen im Praktikum auswirken kön- nen. Demnach ergeben sich mit den Darstellungen im theoretischen Teil der Arbeit folgende Hypothesen bezüglich des Lernens im physikalischen Anfängerpraktikum mit und ohne Computer: (1) Die im Praktikum bei der Handlungsregulation erbrachten kognitiven Leistungen der Studierenden hängen von der Art der Lernumgebung ab: (a) Im traditionellen Praktikum findet die Handlungsregulation bezüglich physikali- scher Inhalte auf der deskriptiven kognitiven Ebene statt. (b) Im computergestützten Praktikum (Gruppen MBL und MBS) findet die Hand- lungsregulation häufiger auf der abstrakten kognitiven Ebene statt als im traditi- onellen Praktikum (Gruppe TRAD). (c) Wird zusätzlich zur Messwerterfassung ein Modellbildungssystem eingesetzt (Gruppe MBS), findet die Handlungsregulation häufiger auf der abstrakten kog- nitiven Ebene statt als beim Einsatz des Computers nur zur Messwerterfassung (Gruppe MBL). (2) Mit der Durchführung eines Praktikumsexperiments erwerben die Studierenden physikalisches und experimentelles Wissen. Der Umfang des erworbenen Wissens (der Wissenszuwachs) hängt von der Art der Lernumgebung ab: (a) Studierende im computergestützten Praktikum (Gruppen MBL und MBS) haben einen höheren Wissenszuwachs als Studierende im traditionellen Praktikum (Gruppe TRAD). (b) Der Einsatz eines Modellbildungssystems im Praktikum (Gruppe MBS) führt zu einem höheren Wissenszuwachs der Studierenden als der Einsatz des Computers nur zur Messwerterfassung (Gruppe MBL). 6-6 ERHEBUNGSMETHODEN 41 6-6 ERHEBUNGSMETHODEN Die beiden wichtigsten Instrumente der Untersuchung sind Begriffsnetze, die jeweils vor und nach der Durchführung der Praktikumsexperimente erhoben wurden, sowie Videoaufnahmen der Praktikumsarbeit. Um sich einen Überblick über die computerbe- zogenen Voraussetzungen der Studierenden zu verschaffen, wurden außerdem zu Be- ginn des Anfängerpraktikums unter allen Studierenden des 3. Semesters mit einem kurzen Fragebogen die Computerkenntnisse und die Einstellung zum Computereinsatz erhoben. Der Fragebogen findet sich in Anhang 2. Videoaufnahmen Die Videoaufzeichnungen dienen der Analyse der Handlungen und der Handlungsre- gulation der Studierenden während der Praktikumsarbeit. Dabei beschränken sich die Videoaufzeichnungen nicht auf die eigentliche Versuchsdurchführung in den Prakti- kumsräumen der Universität. Auch die Versuchsauswertung und die Protokollerstel- lung, die die Studierenden normalerweise zu Hause erledigen, wurde aufgezeichnet. Hierfür arbeiteten die jeweiligen Zweiergruppen in einem dafür vorgesehenen Raum mit PC-Arbeitsplatz. Ferner wurde im Praktikum zusätzlich zu einer Totalen des Prak- tikums-Arbeitsplatzes auch der Computerbildschirm über einen TV-Enkoder auf Video aufgezeichnet, um die Handlungen der Studierenden bei der computergestützten Prak- tikumsarbeit analysieren zu können. Auswertung Die Aufnahmen werden mit einer kategoriegeleiteten Analyse ausgewertet. Während die Handlungen bzw. Tätigkeiten von Studierenden im Praktikum bereits häufiger un- tersucht wurden, und somit Beispiele für entsprechende Kategorien vorliegen (z.B. KYLE et al. 1979, TAMIR & LUNETTA 1981, GERMANN et al. 1996), gibt es noch keine geeigneten Verfahren zur Beschreibung der an der Handlungsregulation beteiligten Kognitionen der Studierenden. Die Methode muss für diese Untersuchung also erst entwickelt werden. Das Auswerteverfahren, sowie das Vorgehen bei der Analyse der Vi- deodaten ist in Kapitel 8 ausführlich beschrieben. Begriffsnetze Begriffsnetze (Concept Maps)* sind, basierend auf Theorien der Kognitionspsychologie, als Methode zur Wissensdiagnostik entwickelt worden. Es handelt sich dabei um eine Darstellung von Begriffsstrukturen, die aus einzelnen Konzepten und Relationen zwi- schen diesen Konzepten (Propositionen; siehe Kap. 4) besteht. Mit Concept Maps kön- nen durch Instruktion bewirkte Wissensänderungen nachgewiesen werden (z.B. LAWLESS 1994; MARKHAM et al. 1994; NAKHLEH & KRAJCIK 1994, siehe Kap. 4; SCHEMANN 1995). Der Einsatz von Concept Maps als Erhebungsmethode (und als In- struktionsmethode) ist in der Naturwissenschaftsdidaktik sehr verbreitet. Ein Grund dafür ist, dass diese Art der Darstellung für die Strukturierung naturwissenschaftlicher Zusammenhänge besonders geeignet ist (NOVAK 1990). Außerdem können mit dieser * Die Ausdrücke Concept Map und Begriffsnetz werden in dieser Arbeit synonym verwendet. KAPITEL 6: ANLAGE UND DESIGN DER UNTERSUCHUNG42 Methode Erkenntnisse über das konzeptuelle Wissen von Lernern gewonnen werden, die andere Methoden nicht liefern (HASEMANN & MANSFIELD 1995). Insbesondere können die Art und die Struktur des Wissens zu einem Themenbereich genau unter- sucht werden. In der vorliegenden Untersuchung sollen Veränderungen im Wissen von Studierenden zu einem Praktikumsexperiment untersucht werden. Es handelt sich also nicht nur um Wissen über physikalische Zusammenhänge (physikalisches Wissen), sondern auch um Wissen über Versuchsaufbauten und Messverfahren (experimentelles Wissen). An die- sen Sachverhalt werden die eingesetzten Begriffsnetze angepasst (vgl. TERGAN 1989). Sie enthalten neben physikalisch-theoretischen Begriffen auch Begriffe zum Ver- suchsaufbau und zur Messmethodik der von den Vpn durchgeführten Praktikumsexpe- rimente. Es ist deshalb zu erwarten, dass die Netze Bereiche unterschiedlicher Abstrak- tion (objektbezogen vs. konzeptbezogen; siehe Kap. 4) enthalten. Auswahl der Begriffe Es gibt bisher kein empirisch validiertes Verfahren für die Auswahl geeigneter Kon- zepte zur Untersuchung kognitiver Strukturen (ACTON et al. 1994). Die Auswahl richtet sich in der Regel nach pragmatischen Kriterien. Meist werden Konzepte benutzt, die eine zentrale Bedeutung für das jeweilige Themengebiet haben, und die nach einer Un- terrichtseinheit allen untersuchten Personen bekannt sein müssten. In dieser Untersu- chung geschieht die Auswahl anhand der Anleitung für das jeweilige Praktikumsexpe- riment (FINKE 1992; vgl. Kap. 7; siehe Anhang 1). Die Studierenden bereiten sich anhand dieser Anleitung auf das Praktikum vor (s.o.). Die in der Anleitung am häufigs- ten vorkommenden und für das Experiment zentralen physikalisch-theoretischen Kon- zepte, sowie die wesentlichen Bestandteile des experimentellen Aufbaus, werden als Ausgangswörter für die Concept Maps vorgegeben. Die insgesamt 20 Wörter sind im Zusammenhang mit der Auswertemethodik in Kapitel 10 dokumentiert. Durchführung der Erhebung Von jeder Vpn wurden pro Treatment-Experiment zwei Begriffsnetze erhoben. Die erste Erhebung fand jeweils vor Beginn der Versuchsdurchführung statt. Die Vpn hat- ten sich zuvor auf die für sie übliche Weise auf das Experiment vorbereitet. Die zweite Erhebung fand nach Abschluss des Versuchs statt, nach Fertigstellung des Versuchs- protokolls durch die Studierenden. Auf einem leeren Papierbogen wurden einer Vpn jeweils die auf verschiebbare Karten gedruckten Wörter vorgegeben. Die Ausgangslage war für alle Vpn gleich. Die Aufgabe lautete: „Beschreibe durch Legen und Verbinden der Karten den Praktikumsversuch und beschrifte die Verbindungen.“ Die Vpn hatten bei der Beschriftung alle Freiheiten. Sie durften auch beliebige Begriffe hinzufügen oder vorgegebene Wörter in ihrem Beg- riffsnetz weglassen. Im direkten Anschluss an den Legeprozess wurde ein etwa 15- minütiges Interview durchgeführt. Die gestellten Fragen bezogen sich ausschließlich auf das von der jeweiligen Vpn gelegte Begriffsnetz. Zunächst erläutern die Vpn dem Interviewer in eigenen Worten das Netz. Sind dann Verbindungen noch nicht eindeutig 6-6 ERHEBUNGSMETHODEN 43 erklärt, wird mit standardisierten, offenen Fragen eine genauere Erklärung verlangt (z.B.: „Was genau meinst du mit dieser Verbindung?“). Mit diesem Verfahren soll si- chergestellt werden, dass das Legen der Begriffsnetze und die Beantwortung der Inter- viewfragen nur vom jeweiligen Vorwissen geleitet werden. Der gesamte Entstehungs- prozess der Begriffsnetze sowie die Interviews wurden videodokumentiert. Auswertung Die Auswertung der Wissensnetze geschieht anhand eines Referenznetzes, dessen Ver- bindungen kategorisiert werden. Um den Wissenserwerb mit der Handlungsregulation der Studierenden während der Praktikumsarbeit in Verbindung bringen zu können, werden die gleichen Kategorien angewendet wie zur Analyse der Videodaten. Das Aus- werteverfahren, sowie das Vorgehen bei der Analyse der Begriffsnetze ist in Kapitel 10 ausführlich beschrieben. Kapitel 7 EXPERIMENTE UND ABLAUF DER UNTERSUCHUNG 7-1 Auswahl und Gestaltung der Versuche 7-2 Auswahl der Versuchspersonen 7-3 Ablauf der Untersuchung 7-4 Einführung der Computerprogramme 7-5 Ergebnisse des Computer-Fragebogens 7-1 AUSWAHL UND GESTALTUNG DER VERSUCHE Im traditionellen Anfängerpraktikum der Universität Dortmund stehen insgesamt 42 vorbereitete Versuche zu acht verschiedenen physikalischen Themengebieten zur Ver- fügung. Die Auswahl der beiden Experimente für die vorliegende Untersuchung unter- lag folgenden Kriterien:  Die computergestützte Messwerterfassung mit PC muss möglich sein. Dies lässt sich im Prinzip bei jedem Praktikumsexperiment realisieren. Jedoch darf einerseits der technische und zeitliche Aufwand nicht zu groß werden, andererseits sollen weder Versuchsaufbau noch Versuchsinhalt wesentlich gegenüber dem traditionellen Set- ting verändert werden.  Die Simulation des Experiments mit einem STELLA-Modell muss möglich sein. Das bedeutet, dass zeitlich abhängige Phänomene untersucht werden müssen. Z. B. Themen der Optik (z.B. „Dispersionsmessungen“) oder der Atomphysik (z.B. „Pho- to-Effekt“) lassen sich mit STELLA nicht behandeln.  Das Experiment soll einen deutlich erkennbaren physikalisch-theoretischen Hinter- grund haben, der auch Thema des Versuches ist. Bei einigen Versuchen des Anfän- gerpraktikums stehen technische Geräte oder Verfahren im Mittelpunkt (z.B. „Gei- ger-Müller-Zählrohr“, „Elektrische Brückenschaltungen“, o.ä.). Solche Experimente sind für diese Untersuchung nicht geeignet (vgl. Kap. 5 zu den Zielen der Untersu- chung).  Die beiden Versuche sollen aus unterschiedlichen physikalischen Themengebieten stammen. Damit wird einerseits ausgeschlossen, dass die Durchführung und das Legen der Begriffsnetze des ersten Versuchs bereits zu Lerneffekten bezüglich des KAPITEL 7 : EXPERIMENTE UND ABLAUF DER UNTERSUCHUNG46 zweiten Versuchs führt. Andererseits wird eine Beschränkung auf ein Themengebiet vermieden. So kann überprüft werden, ob die Untersuchungsergebnisse vom The- mengebiet des Versuchs abhängen. Legt man diese vier Kriterien zugrunde, schränkt sich die Zahl der in Frage kommen- den Praktikumsexperimente stark ein. Die beiden in Kapitel 6 genannten Versuche er- weisen sich im Hinblick auf die Zielsetzung der Untersuchung als geeignet. Sie werden im Folgenden kurz beschrieben. Auf die detaillierte Darstellung des physikalischen Hintergrundes und der Schaltungen bzw. Aufbauten wird aber an dieser Stelle verzich- tet. Es soll vor allem erläutert werden, worin sich jeweils die computergestützte von der traditionellen Lernumgebung unterscheidet. Für alle weiterführenden Erläuterungen sei auf die zugehörigen Praktikumsanleitungen in Anhang 1 verwiesen. Dort sind auch die zu den beiden Experimenten passenden STELLA-Modelle dokumentiert. Versuch I: Relaxationsverhalten eines RC-Kreises Dieser Versuch illustriert exemplarisch die für Relaxationserscheinungen typischen Phänomene und Zusammenhänge. Dabei wird die Zeitkonstante eines RC-Schaltkreises auf verschiedene Art und Weise ermittelt. Die elektrischen Schaltungen hierzu werden von den Studierenden selbst aufgebaut, sind aber in der Versuchsanleitung erläutert und abgebildet. Die Messungen werden im traditionellen Setting mit Hilfe eines XY- Schreibers durchgeführt. Im computerunterstützten Experiment wird der XY-Schreiber durch den Computer ersetzt. Im ersten Versuchsteil wird die exponentiell abfallende Entladekurve des Kondensators aufgezeichnet. Traditionell: Die X-Achse des XY-Schreibers, an der eine Dreieckspannung anliegt, wird mit Hilfe eines quarzgesteuerten Periodendauermessers in Zeiteinheiten geeicht. Die Zeit- ablenkgeschwindigkeit soll so eingestellt werden, dass die Kondensatorspannung am En- de des Messzeitraumes ungefähr auf ein Zehntel ihres Ausgangswertes abgesunken ist. Damit werden die fehlerbehafteten kleinen Spannungswerte unberücksichtigt gelassen. In der Auswertung wird mit einer ausreichenden Zahl von logarithmisch aufgetragenen Messwerten eine lineare Regression durchgeführt. Der Steigung der berechneten Geraden wird die Zeitkonstante entnommen. Mit Computer: Die Entladekurve wird über CASSY mit dem PC aufgenommen. Es bedarf dafür keiner Dreieckspannung, auch braucht die Zeitachse nicht geeicht zu werden. Die Messwerte können direkt in ORIGIN übernommen werden. Dort werden sie halbloga- rithmisch aufgetragen und die lineare Regression wird vom Rechner durchgeführt. Da es keine Begrenzung bezüglich der Messdauer gibt, werden auch sehr kleine Spannungs- werte aufgenommen. Die Regression muss deshalb auf einen Bereich mit geringer Streu- ung der Spannungswerte beschränkt werden. Der angezeigten Steigung wird die Zeitkon- stante entnommen. Im zweiten Versuchsteil wird die Schaltung leicht verändert und ein Sinusgenerator (Spannung U0) angeschlossen. Für verschiedene Frequenzen von U0 wird dann die Kondensatorspannung (UC) gemessen. 7-1 AUSWAHL UND GESTALTUNG DER VERSUCHE 47 Traditionell: Für jede eingestellte Frequenz von U0 werden auf dem XY-Schreiber die Amplituden von Uc und U0 als vertikale Linie aufgezeichnet. Die Verhältnisse der Linien- längen entsprechen den Amplitudenverhältnissen. In der Auswertung werden diese in Abhängigkeit von der Frequenz in ein Diagramm eingetragen. Die Frequenz wird dabei logarithmisch aufgetragen, um den großen Messbereich zu stauchen. Aus einzelnen Wer- tepaaren wird dann wiederum die Zeitkonstante errechnet. Mit Computer: Der Unterschied zum traditionellen Setting besteht darin, dass der zeitli- che Verlauf der Schwingungskurven von Sinus- und Kondensatorspannung, sowie ihre Phasenverschiebung, in Echtzeit visualisiert wird. Die Amplituden werden in den Schwin- gungskurven ausgemessen und in eine ORIGIN-Tabelle eingetragen. Das weitere Vorge- hen ist das gleiche wie im traditionellen Fall. Nur kann die Berechnung der Zeitkonstan- ten sofort geschehen, da die Messwerte mit ORIGIN leicht umgerechnet und im Diagramm dargestellt werden können. Im dritten Versuchsteil wird die gleiche Schaltung benutzt. Allerdings werden nun U0 und UC gegeneinander aufgetragen. Dies ergibt Lissajous-Ellipsen, deren Ausdehnung sich die Phasenverschiebung zwischen beiden Spannungen entnehmen lässt. Traditionell: Für verschiedene Frequenzen von U0 werden Lissajous-Ellipsen aufgezeich- net. In der Auswertung wird die Phasenverschiebung ausgemessen bzw. errechnet. So wie im zweiten Versuchsteil die Amplitude wird nun die Phase gegen die Frequenz aufgetra- gen. Wiederum wird aus einzelnen Wertepaaren die Zeitkonstante berechnet. Mit Computer: Die Versuchsteile zwei und drei lassen sich mit dem Computer in einem Arbeitsschritt bearbeiten, da unter CASSY die Schwingungskurven und die Lissajous- Ellipsen gleichzeitig visualisiert werden können. Das weitere Vorgehen entspricht dem in Versuchsteil zwei. In einem zusätzlichen Auswerteschritt wird das Amplitudenverhältnis UC/U0 gegen die Phasenverschiebung in Polarkoordinaten aufgetragen. Dabei ergibt sich laut Theorie ein Halbkreis. Traditionell: Da Amplitude und Phase in zwei getrennten experimentellen Schritten auf- genommen wurden, entsprechen sich die jeweils eingestellten Frequenzen normalerweise nicht. Die in Polarkoordinaten aufzutragenden Frequenzen müssen daher mit Hilfe der beiden Diagramme (Amplitude bzw. Phase gegen Frequenz) interpoliert werden. Mit Computer: Da Amplitude und Phase in einem Schritt, bei gleichen Frequenzen von U0, aufgenommen wurden, kann die Darstellung in Polarkoordinaten in ORIGIN sofort erfol- gen. Die Versuchsanleitungen für die computerunterstützten Lernumgebungen unterschei- den sich von denen für die traditionelle Lernumgebung lediglich in der Berücksichti- gung des Interfaces und des Computers in den Schaltungs-Skizzen (siehe Anhang 1). Außerdem enthalten erstere einige Hinweise, wie die Computerprogramme zu verwen- den sind. Unter anderem werden die Studierenden aufgefordert, die Auswertung der Messungen - das heißt, die Darstellung der Graphen, die Berechnungen der Zeitkon- stanten und die Polarkoordinatendarstellung - sofort im Anschluss an die Messung durchzuführen. KAPITEL 7 : EXPERIMENTE UND ABLAUF DER UNTERSUCHUNG48 Die Anleitungen für Vpn, die mit dem Modellbildungssystem arbeiten, enthalten au- ßerdem die zusätzliche Aufgabe, ein STELLA-Modell des Experiments zu entwickeln (siehe Anhang 1). Dieses soll mit Hilfe der im ersten Versuchsteil gemessenen Werte überprüft werden. Im dritten Versuchsteil sollen dann Modellrechnungen mit den eige- nen Messungen verglichen werden. Versuch II: Anharmonische Schwingungen Das Amplituden- und Phasenverhalten einer erzwungenen anharmonischen Dreh- schwingung soll mittels eines Pohlschen Rades untersucht werden. Die Nichtlinearität wird durch eine kleine Masse an der Peripherie des Schwungrades erreicht. Die Größe der Masse ist vorgegeben. Ziel der Messung ist die Aufnahme zweier Kurven, Amplitude (des Schwungrades) gegen Frequenz und Phasenverschiebung (zwischen Schwinger und Erreger) gegen Frequenz. Die gemessenen Kurven sollen jeweils mit theoretisch er- rechneten Kurven verglichen werden. Die theoretischen Kurvenverläufe können nur mit Hilfe eines komplizierten Nähe- rungsverfahrens (Harmonische Balance) berechnet werden. Um die theoretischen Kur- venverläufe für den gegebenen Versuchsaufbau zu ermitteln, müssen zunächst die Schwingungsparameter (Motordrehmoment, Trägheitsmoment, Federkonstante, etc.) ausgemessen werden. Die Berechnung der theoretischen Kurven übernimmt dann, auch im traditionellen Setting, ein einfaches Rechnerprogramm. Dieser Praktikumsversuch ist besonders für die vorliegende Untersuchung geeignet, da die Verbindung von Theorie und Experiment als Ziel des Versuchs explizit gemacht wird. So leiten sich alle Verfahren zur Parameterbestimmung direkt aus theoretischen Überlegungen ab. Umgekehrt werden die gemessenen Parameter verwendet, um theo- retische Vorhersagen zu machen. Es kann daher damit gerechnet werden, dass, vergli- chen mit anderen Praktikumsexperimenten, dieser Versuch die Anwendung theoreti- schen Wissens bei der Handlungsorganisation in besonderem Maße fördert. Traditionell: Die Amplitude des Schwungrades wird mit dem Auge auf einer Winkelskala abgelesen. Diese Messung ist fehlerbehaftet, da das Schwungrad beim Ablesen in Bewe- gung ist. Außerdem treten Parallaxenfehler auf. Zur Messung der Periodendauern von Schwinger und Motor, sowie zur Messung der Phasenverschiebung, sind Lichtschranken angebracht. Diese sind mit einem digitalen Zeitmessgerät verbunden. Um die nicht ge- schwindigkeitsproportionale Dämpfung der Achslagerung vernachlässigen zu können, wird mittels einer Wirbelstrombremse eine hinreichend hohe, geschwindigkeitsproportio- nale Dämpfung angelegt. Mit Computer: Für diese Lernumgebung wurde ein zweites Pohlsches Rad umgebaut. An der Achse des Schwungrades wurde ein reibungsarmes Drehpotentiometer angebracht. Die dort abgegriffene Spannung ist der Auslenkung proportional. Sie wird an den Com- puter gegeben und als Schwingungskurve visualisiert. Die Amplitude des Schwungrades, wie auch die Phasenverschiebung zwischen Schwungrad und Motor, kann dieser Kurve sehr exakt entnommen werden. Die Werte können sofort in eine ORIGIN-Tabelle einge- tragen, umgerechnet und graphisch dargestellt werden. Mit Hilfe des Computers ist es ferner möglich, die Einschwingvorgänge zu visualisieren. Auch der ausgeprägte Sprung 7-2 AUSWAHL DER VERSUCHSPERSONEN 49 der Amplitude bei einer bestimmten Erregerfrequenz, sowie die Entwicklung der Phasen- verschiebung bei dieser Frequenz, kann am Computerbildschirm direkt beobachtet wer- den. Die Versuchsanleitungen für die computerunterstützten Lernumgebungen unterschei- den sich von denen für die traditionelle Lernumgebung lediglich in der Berücksichti- gung des Interfaces und des Computers in den Skizzen des Versuchsaufbaus (siehe An- hang 1). Außerdem enthalten erstere einige Hinweise, wie die Computerprogramme zu verwenden sind. Unter anderem werden die Studierenden aufgefordert, die Auswertung der Messung, das heißt, den Vergleich der gemessenen Kurven mit den theoretisch er- mittelten, sofort im Anschluss an die Messung durchzuführen. Die Anleitungen für Vpn, die mit dem Modellbildungssystem arbeiten, enthalten die zusätzliche Aufgabe, ein STELLA-Modell des Experiments zu entwickeln (siehe Anhang 1). Dieses soll mit Hilfe der im ersten Versuchsteil für die Schwingungsparameter ge- messenen Werte überprüft werden. Das Modell soll ferner benutzt werden, um die Fre- quenz, bei der der Amplitudensprung bzw. Phasensprung zu erwarten ist, so genau wie möglich vorherzusagen. Durch diese Hilfestellung wird, bei ausreichend genauen Pa- rameterwerten, eine präzisere Messung des Amplituden- und Phasenverlaufs ermög- licht. 7-2 AUSWAHL DER VERSUCHSPERSONEN 20 Studierende im dritten Semester des Physikstudiums erklärten sich zur Teilnahme an der Untersuchung bereit. Das Konzept der Untersuchung wurde in der vor Beginn des Praktikums stattfindenden Vorlesung zur Einführung in physikalische Messmetho- den kurz vorgestellt. Dabei wurden die Studierenden um Teilnahme gebeten. Obwohl eine Vergütung für den über das normale Praktikum hinausgehenden Zeitaufwand an- geboten wurde, musste diese Prozedur wiederholt werden, um eine genügend hohe Zahl von Vpn (mindestens 6 pro Lernumgebung) zu erreichen. Einige der Vpn erklärten sich erst auf persönliche Aufforderung hin zur Teilnahme bereit. Das größte Hemmnis für die Studierenden schienen Befürchtungen bezüglich der Aufzeichnung ihrer Prakti- kumsarbeit per Video sowie die Angst vor zu großem zeitlichem Mehraufwand zu sein. Da es sich für sie um das erste universitäre Praktikum handelte waren die Studierenden offenbar unsicher darüber, was sie im physikalischen Anfängerpraktikum überhaupt erwartet. Bei der Konzeption der Untersuchung wurde davon ausgegangen, dass die Vpn zufällig auf die drei unterschiedlichen Lernumgebungen verteilt werden. Mehrere Studierende (8 von 18) nahmen jedoch nur an der Untersuchung teil, weil sie mit dem Computer ar- beiten wollten. Daher mussten diese Vpn den entsprechenden Lernumgebungen zuge- ordnet werden. Die verbleibenden Vpn wurden zufällig aufgeteilt. Dies spricht einer- seits für die Beliebtheit des Computers bei den Studierenden, birgt andererseits aber die Gefahr, dass die drei Untersuchungsgruppen nicht homogen in Bezug auf die indi- viduellen Vorraussetzungen der Vpn sind. Es ist vorstellbar, dass Studierende, die ein besonderes Interesse für das Praktikum zeigen, sich mehr engagieren als andere Stu- KAPITEL 7 : EXPERIMENTE UND ABLAUF DER UNTERSUCHUNG50 dierende, was eine größere Kompetenz erwarten lässt (vgl. Kap. 11 zu den Ergebnissen der Begriffsnetzanalyse). 7-3 ABLAUF DER UNTERSUCHUNG Vorabtests Vor Beginn der eigentlichen Datenaufnahme wurden kleinere Voruntersuchungen und Tests durchgeführt. Diese betrafen die Entwicklung der eingesetzten Concept Maps so- wie die technische Realisierung der Videoaufnahmen. Noch im Sommersemester 1996 wurden Probeaufnahmen von Studierenden, die zu dieser Zeit die beiden Treatment- Experimente (auf traditionelle Weise) durchführten, gemacht, um die Aufnahme- und Tontechnik zu optimieren. Auch das Legen der Concept Maps wurde mit diesen Studie- renden getestet, um zu beurteilen, ob die ausgewählten Begriffe das Erstellen eines stimmigen Wissensnetzes zum Experiment ermöglichen. Die vorgegebenen Begriffe wurden daraufhin entsprechend modifiziert. Datenaufnahme Die Datenaufnahme der Untersuchung fand plangemäß im WS 1996/97 und SS 1997 statt. Während der ersten beiden Wochen stellte sich heraus, dass in dieser Zeit das Verhalten der Studierenden noch sehr stark von der Neuigkeit des Praktikums beein- flusst wird. Dies zeigte sich an vielen Fragen, was denn nun zu tun sei, wie das Protokoll auszusehen habe, etc. Da nicht auszuschließen ist, dass dies zu Verzerrungen führt im Vergleich mit Vpn, die die beiden Treatment-Versuche später im Verlauf des Prakti- kums absolvieren, wurden die in den beiden ersten Wochen aufgenommenen Daten nicht mit in die Untersuchung einbezogen (vgl. Kap. 6-3). Damit verbleiben 18 Vpn, sechs pro Lernumgebung (je drei Zweiergruppen). Jede Woche wurde eine Zweiergrup- pe bei ihrer Praktikumsarbeit in der entsprechenden Lernumgebung betreut bzw. auf- genommen. Die Datenaufnahme erstreckte sich somit über 18 Wochen (jede der neun Zweiergruppen absolvierte beide Treatment-Experimente) und endete Mitte des Som- mersemester 1997. Die Durchführung der Experimente fand jeden Dienstag Nachmittag im physikalischen Praktikum statt. Vorher, entweder Dienstagvormittags oder Montagnachmittags, legten die Vpn jeweils einzeln das entsprechende Begriffsnetz (vgl. Kap. 6-5). Der Legeprozess dauerte 30-45 Minuten. Das anschließende Interview dauerte nochmals 15-20 Minuten. Die Auswertung der Messungen durch die Vpn wurde entweder mittwochs oder don- nerstags aufgezeichnet. Die Bedingungen hierfür ließen sich allerdings nur schwer kontrollieren. Einige der Studierenden etwa teilten sich die Arbeit auf und schrieben den Theorieteil des Versuchsprotokolls bereits vor der Versuchsdurchführung, andere schrieben das gesamte Protokoll hinterher (siehe hierzu auch Kap. 9-5). In vier Fällen musste die Aufnahme abgebrochen werden, da die Auswertearbeit zu lange dauerte (>5h). 7 -4 EINFÜHRUNG DER COMPUTERPROGRAMME 51 Am Donnerstagnachmittag oder Freitag legten die Vpn dann das zweite Begriffsnetz zum durchgeführten Experiment (vgl. Kap. 6-5). Dauer und Ablauf waren wie beim ersten Begriffsnetz beschrieben (s.o.). 7-4 EINFÜHRUNG DER COMPUTERPROGRAMME Versuchspersonen, die mit den Computersystemen zur Messwerterfassung und Mo- dellbildung arbeiteten, erhielten rechtzeitig eine gemeinsame Schulung in einem mit mehreren Rechnerarbeitsplätzen ausgestatteten Raum. Dabei wurden die für die Durchführung der ausgewählten Experimente notwendigen Funktionen der Program- me an simplen Beispielen erläutert und von den Vpn am Computer nachvollzogen. Die Beispiele waren so gewählt, dass eine inhaltliche Überschneidung mit den Treatment- Experimenten ausgeschlossen war. Die Einführung in die Systeme zur Messwerterfas- sung (CASSY) und -bearbeitung (ORIGIN) dauerte etwa 1,5 Stunden. Die Einführung in das Modellbildungssystem (STELLA) dauerte ebenfalls etwa 1,5 Stunden. Letztere er- folgte nach einem bewährten Verfahren, bei dem mit einfachen kinematischen Zusam- menhängen begonnen wird (SCHECKER 1998b). Die Komplexität der Modelle lässt sich dann unter Zuhilfenahme der verschiedenen, in STELLA verfügbaren Funktionen nach Bedarf schrittweise steigern. Die Schulungen wurden beendet, als alle betreffenden Vpn das Gefühl hatten, selbstständig mit den Computerprogrammen umgehen zu können. Es zeigte sich, dass die Vpn bei der Anwendung der Programme beim Experimentieren keine bedeutenden technische Probleme hatten. Erstellung des STELLA-Modells zum Experiment Um den zeitlichen Rahmen des Praktikums nicht zu sprengen, bekamen Vpn, die mit dem Modellbildungssystem arbeiteten, Gelegenheit, bereits Dienstagvormittags mit der Versuchsdurchführung zu beginnen. Diese Zeit wurde in der Regel genutzt, um das zum Versuch passende STELLA-Modell zu entwickeln. Es zeigt sich, dass die Studierenden diese Aufgabe überraschend schnell und gut lösen. Vom Anschalten des Computers bis zu Fertigstellung eines korrekten Modells (das allerdings erst nach Durchführung der Messungen am Experiment getestet werden kann) vergehen zwischen 20 und 40 Mi- nuten. Dies gilt auch für das im Vergleich zu Versuch I relativ komplexe Modell zur nichtlinearen erzwungenen Schwingung. Diese Beobachtung kann bereits als ein Ergebnis der Untersuchung gelten. Der Einsatz eines Modellbildungssystems im physikalischen Praktikum an der Universität ist ohne weiteres möglich. Dies war aus zwei Gründen nicht unbedingt zu erwarten:  Es kann vermutet werden, dass die spezifische graphische Darstellung physikali- scher Zusammenhänge im Widerspruch zum für gewöhnlich sehr mathematisch ge- prägten Physikverständnis der Studierenden steht (vgl. Kap. 3-3). Dies trifft auf mindestens eine der Vpn offenbar auch zu. Dieser Student fasst die in STELLA be- nutzten Symbole für Veränderungsraten als mathematische Symbole für Ableitun- gen auf und argumentiert während der graphischen Erstellung des Modells mit Differentialgleichungen. Dies führt zu einigen Fehlversuchen beim Modell zum RC- KAPITEL 7 : EXPERIMENTE UND ABLAUF DER UNTERSUCHUNG52 Kreis (Versuch 1). Letztendlich arbeitet aber auch diese Vpn erfolgreich mit dem Modellbildungssystem. Offenbar kann ein Modellbildungssystem im dritten Se- mester an der Universität ein gutes Hilfsmittel sein, um über den Charakter physi- kalischer Größen und Zusammenhänge zu diskutieren.  Ein zweiter Grund, weswegen das besagte Ergebnis überraschend erscheint, ist die äußerst knappe Einführung in die Benutzung des Modellbildungssystems. Sie be- schränkte sich auf 1,5 h Unterricht (s.o.). Dies barg ein gewisses Risiko. Bisher lie- gen hauptsächlich Erfahrungen auf Schulniveau vor. Dort muss in der Regel eine wesentlich sorgfältigere, schrittweise Einführung angeboten werden (SCHECKER 1998b). Auch aus einer parallelen Untersuchung im physikalischen Praktikum der Universität Bremen geht hervor, dass Studierende im ersten Semester Probleme bei der Anwendung von STELLA haben (SANDER 1999). Die Studierenden der vorliegen- den Untersuchung befanden sich bereits im dritten Semester. Möglicherweise hilft eine höhere physikalische Kompetenz den Studierenden, die dem Modellbildungs- system zugrunde liegenden Prinzipien zu verstehen. 7-5 ERGEBNISSE DES COMPUTER-FRAGEBOGENS Wie im letzten Kapitel erwähnt, wurde zu Beginn des Anfängerpraktikums unter allen Drittsemestern ein kurzer Fragebogen zu Computerkenntnissen und zur Einstellung zum Computer erhoben (siehe Anhang 2). 45 Studierende (von 54) haben den Fragebo- gen beantwortet. Demnach arbeiteten 95% der Befragten wenigstens ab und zu mit dem Computer, etwa genauso viele Personen hatten einen eigenen PC. Die Zahlen zeigen, dass hinsichtlich der computerbezogenen Vorkenntnisse der Studierenden der PC bedenkenlos im phy- sikalischen Anfängerpraktikum eingesetzt werden kann. Keine der Vpn kannte die in der Untersuchung zum Einsatz kommenden Programme. Trotzdem konnten sie sich problemlos in die Benutzung einarbeiten. 70% der Befragten gaben außerdem an, gerne mit dem Computer zu arbeiten, und über 60% waren der Meinung, dass der Computer häufiger im Physikstudium eingesetzt werden solle. Dies ergänzt die Ergebnisse der Umfrage von GIRWIDZ (1994; siehe Kap. 3-1), wonach viele Studierende einen regelmäßigen Computereinsatz im Physikstudium erwarten. Es macht auch plausibel, dass die meisten Studierenden, die sich aus Interes- se zur Teilnahme an der Untersuchung gemeldet hatten, unbedingt mit dem Computer arbeiten wollten (s.o.). Kapitel 8 ANALYSE DER VIDEODATEN 8-1 Konzept der Analyse 8-2 Kodierung der Tätigkeiten 8-3 Kodierung der Sprechhandlungen 8-4 Durchführung der Videoanalyse 8-5 Beobachterübereinstimmung 8-1 KONZEPT DER ANALYSE Anhand der Videoaufzeichnungen werden die Handlungen der Studierenden während der Praktikumsarbeit untersucht. Je nach Vpn und Versuch dauert die Durchführung eines der beiden ausgewählten Praktikumsexperimente zwischen 3 und 5 Stunden. Ge- nauso lange dauert die Auswertung der Versuche inklusive der Erstellung des Ver- suchsprotokolls. Damit stehen pro Vpn etwa 6-10 Stunden Videomaterial zur Auswer- tung zur Verfügung. Die Videodaten werden einer kategoriegeleiteten Analyse (FLICK 1995) unterzogen. Da- bei kommen zwei Klassen von Kategorien zum Einsatz. Jede Klasse kann als ein in sich abgeschlossenes Kategoriesystem betrachtet werden. (1) Die erste Klasse von Kategorien dient der Erfassung der verschiedenen Tätigkeiten der Studierenden während der Praktikumsarbeit. Es handelt sich um neun vonein- ander unabhängige Kategorien. Jede Tätigkeit einer Vpn lässt sich genau einer der Kategorien zuordnen. Schreiben, Manipulieren oder Modellbildung sind Beispiele für diese Kategorien. Sie werden über induktive Kategoriebildung (MAYRING 1997) aus den Daten selbst abgeleitet. (2) Die zweite Klasse von Kategorien dient der Einteilung der Sprechhandlungen der Studierenden während der Praktikumsarbeit. Es handelt sich um sechs Kategorien, die nicht voneinander unabhängig sind. Einer Sprechhandlung können bis zu drei Kategorien gleichzeitig zugeordnet werden. Die Sprechhandlungen werden dabei sowohl bezüglich ihres Inhaltsbereichs als auch bezüglich ihrer Komplexität cha- rakterisiert. Objektbezogen, Physikbezogen oder Theoriebezogen sind Beispiele für KAPITEL 8: ANALYSE DER VIDEODATEN54 diese Kategorien. Sie leiten sich aus den in Kapitel 4 dargestellten theoretischen Überlegungen ab. Mit diesen insgesamt 16 Kategorien wird der „Verhaltensstrom“ kodiert. Das heißt, die Kategorien werden im Zeitverlauf den Handlungen zugeordnet (ASENDORPF & WALLBOTT 1979) (Abb. 8.1). Dabei wird jede Vpn einzeln beobachtet. Abbildung 8.1: Kodierung des „Verhaltensstromes“ im Zeitverlauf mit Hilfe der atego- riesysteme A (9 Kategorien; i=1-9) und B (6 Kategorien; j=1-6). Jeder Tätigkeit wird ge- nau eine Kategorie aus A zugeordnet. Einer Sprechhandlung können bis zu drei Katego- rien aus B gleichzeitig zugeordnet werden. Wahl des Kodierungszeitraums Nach FLICK (1995) muss der Abstand der Kodierungszeitpunkte an den Analysege- genstand angepasst werden. Ziel der hier beschriebenen Methode ist die Analyse der vollständigen Videoaufzeichnungen der Praktikumsarbeit. Dies kann wegen des großen Umfangs des Datenmaterials nur durch eine Analyse in Echtzeit oder nahezu Echtzeit realisiert werden. Bei einem solchen Vorgehen ist eine Rekonstruktion der Sinnzu- sammenhänge der Handlungen nicht möglich. Statt dessen wird die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Handlungen erfasst. Dabei muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen einem möglichst kleinen, alle Handlungen erfassenden Abstand zwi- schen den Kodierungen, und einem ausreichend großen Abstand, der die Analyse in etc. ... Zeitpunkt Z1 Kategorie Ai1 Z2 Bj2... etc. ... Z3 Bj3... Z3 Ai2 Z2 Ai2 Zeitpunkt Z1 Kategorie Bj1... B Kodierung der Sprech- handlungen A Kodierung der Tätig- keiten "Verhaltensstrom" (Zeitverlauf) Beobachtung einer Vpn im Praktikum 8-1 KONZEPT DER ANALYSE 55 Echtzeit ermöglicht. Ein Zeitschritt von 30 Sekunden erweist sich als geeignet. Es ist der kleinstmögliche Beobachtungszeitraum, bei dem ein Beobachter gleichzeitig sowohl die Art der Tätigkeit als auch die auftretenden Sprechhandlungen zuverlässig erfassen kann. Art der Ergebnisse Mit Hilfe des Kategoriesystems A (Abb. 8.1) können Aussagen darüber getroffen wer- den, wie viel Zeit auf welche Tätigkeiten im Praktikum verwandt wird, und worin sich diesbezüglich die verschiedenen Lernumgebungen unterscheiden. Mit Hilfe des Kate- goriesystems B können Aussagen darüber getroffen werden, mit welchen Inhaltsberei- chen sich die Studierenden während der Praktikumsarbeit vorwiegend auseinanderset- zen, und ob physikalisch-theoretische Konzepte bei der Handlungsregulation zum Einsatz kommen. Durch die zeitbezogene Verknüpfung beider Kategoriensysteme kön- nen Aussagen darüber getroffen werden, welche Tätigkeiten im Praktikum besonders förderlich oder besonders hemmend für die Auseinandersetzung mit bestimmten In- haltsbereichen sind. Damit wird erstmals in der Naturwissenschaftsdidaktik ein Verfahren eingesetzt, das den handlungstheoretisch begründeten Verfahren zur Tätigkeitsanalyse, wie sie in der Arbeitspsychologie eingesetzt werden, vergleichbar ist. Dort kann man mit SCHULER (1995) zwei Arten der Analyse und Bewertung von Arbeitstätigkeiten unterscheiden: Arbeitsablaufanalysen und psychologische Tätigkeitsanalysen. Mit Arbeitsablaufanaly- sen wird die Oberflächenstruktur von Tätigkeiten erfasst. Sie liefern Informationen über Art und zeitliche Struktur von Teiltätigkeiten eines Arbeitsauftrags. Mit psycholo- gischen Tätigkeitsanalysen und -bewertungen wird die Tiefenstruktur einer Tätigkeit erfasst. Sie zielt auf die Analyse der psychischen Regulationsvorgänge der Handlung (vgl. HACKER 1986). Diese sind der direkten Beobachtung nicht zugänglich und müssen aus den Aufgaben, den Bedingungen und dem Vollzug der Tätigkeit erschlossen werden (SCHULER 1995, 178). Durch die Anwendung solcher Verfahren werden in der Arbeits- psychologie Tätigkeiten im Hinblick auf die kognitive Beanspruchung der ausführenden Personen bewertet. Die aus der Analyse gewonnenen Informationen werden benutzt, um Arbeitsbedingungen zu verbessern und persönlichkeitsfördernd zu gestalten. Die hier verwendeten Kategoriesysteme entsprechen in ihrer Zielsetzung diesen Me- thoden. Auf der einen Seite wird die Oberflächenstruktur der Tätigkeiten im Praktikum untersucht. Auf der anderen Seite werden Informationen über die an der Handlungsre- gulation beteiligten kognitiven Strukturen der Studierenden gewonnen. Mit Hilfe der Analyse-Ergebnisse kann die Lernförderlichkeit des Praktikums bewertet und verbes- sert werden. Rolle der Sprache Dem beschriebenen Konzept der Videoanalyse liegt die Annahme zugrunde, dass handlungsleitende Kognitionen sich in der Sprache manifestieren. HUBER und MANDL (1982) gehen davon aus, dass die Analyse von Verbalhandlungen die beste Möglichkeit ist, Aufschluss über handlungsleitende Kognitionen zu erhalten. Es gibt hierfür ver- KAPITEL 8: ANALYSE DER VIDEODATEN56 schiedene Verbalisationsmethoden vor, während oder nach der Handlung. Alle diese Methoden sind mit Einschränkungen verbunden. Die in dieser Untersuchung einge- setzte Dokumentenanalyse bietet gegenüber anderen Methoden zwei Vorteile: Die Ver- balisierung wird nicht durch die Interaktion mit dem Forscher beeinflusst, und das Do- kument ist in einem natürlichen Handlungskontext entstanden. Es besitzt damit eine ökologische Validität gegenüber künstlichen Erhebungssituationen (HUBER & MANDL 1982, 167). Entscheidend für eine gültige Analyse ist dabei, dass der Forscher den Ent- stehungskontext seines Materials kennt, um mögliche Sichtweisen und Absichten der beobachteten Personen zu erkennen. Diese Voraussetzung ist bei der vorliegenden Un- tersuchung gegeben. Eine triviale Voraussetzung für die Anwendbarkeit einer solchen Methode ist, dass Sprechhandlungen vorliegen. Voraussetzung für die Validität der Methode ist außer- dem, dass genügend Sprechhandlungen vorliegen, um in hinreichend vielen Beobach- tungszeiträumen eine Information über die handlungsleitenden Kognitionen einer Vpn zu erhalten. Die Studierenden arbeiten im Praktikum in Zweiergruppen und kommuni- zieren fast während der gesamten Praktikumsarbeit. Es zeigt sich, dass im Durchschnitt in etwa 86% aller Zeitschritte eines Praktikumsversuchs kodierbare Sprechhandlungen einer Vpn auftreten. Des Weiteren liegen von jeder Vpn Videodaten im Umfang von mindestens 160 Minuten (320 Zeitschritte) vor. Es wird daher angenommen, dass die kodierbaren Daten ausreichen, um gültige Analyseergebnisse zu erzielen. Dabei gibt es unter den Vpn lediglich eine auffallende Ausnahme: Diese Vpn kommuniziert nur in 45% der Zeitschritte. Die betreffenden Analyseergebnisse werden in der Auswertung nicht berücksichtigt. Ferner wird, wie bereits in Kapitel 6-2 angedeutet, angenommen, dass das Reden über Physik ein Indikator für Physiklernen ist. Diese Annahme begründet sich zum einen aus den in Kapitel 4 beschriebenen theoretischen Überlegungen. Danach kann im Prakti- kum dann etwas über physikalische Konzepte gelernt werden, wenn sie zur Handlungs- regulation benutzt werden. Das Auftreten physikalischer Konzepte in einer Sprech- handlung zeigt, dass diese Vorraussetzung erfüllt ist. Zum anderen lässt sich die Annahme, dass das Reden über Physik große Bedeutung für das Physiklernen hat, mit Hilfe sozial-konstruktivistischer Lerntheorien begründen (z.B. BLISS 1996; ROTH et al. 1997). Danach werden Bedeutungen im sozialen Kontext konstruiert. Die Sprache ist dabei ein wichtiges Werkzeug, weil sie den Fluss und die Struktur der geistigen Funkti- onen beeinflusst (VYGOTSKY 1981, nach BLISS 1996). Diese Feststellungen gelten na- türlich in gleichem Maße für physikalische wie für nicht-physikalische Inhaltsbereiche. Im Folgenden werden zunächst die Kategorien A (Abb. 8.1) zur Erfassung der Tätig- keiten im Praktikum vorgestellt und ihre Operationalisierung beschrieben. Anschlie- ßend werden die Kategorien B zur Erfassung der kognitiven Anteile der Praktikumsar- beit aus der Theorie abgeleitet und operationalisiert. Zum Schluss des Kapitels wird die Durchführung der Videoanalyse beschrieben und ein Überblick über die so gewonne- nen Daten gegeben. Dabei wird auch die Überprüfung der Beobachterübereinstimmung dokumentiert. 8-2 KODIERUNG DER TÄTIGKEITEN 57 8-2 KODIERUNG DER TÄTIGKEITEN Zur Beschreibung der Tätigkeiten der Studierenden bei der Praktikumsarbeit werden neun unabhängige Kategorien verwendet (Tab. 8.1). Diese Kategorien decken das ge- samte Tätigkeitsspektrum im Praktikum ab. Das bedeutet, dass für jeden Zeitschritt den Handlungen der Studierenden eine dieser Kategorien zugeordnet wird. KATEGORIE BESCHREIBUNG BEISPIEL 1 X Prakti- kumsfremde Tätigkeit Die Tätigkeit hat nichts mit dem Prak- tikumsexperiment zu tun, oder die Vpn ist abwesend. Die Vpn essen etwas und unterhalten sich dabei über die letzte Klausur. 2 3P 3. Person Es wird mit einer dritten Person kom- muniziert. (In fast allen Fällen handelt es sich dabei um den Betreuer). Der Betreuer hilft bei technischen Problemen. 3 LG Versuchsan- leitung (Lab- guide) Die Vpn beschäftigt sich mit der schriftlichen Versuchsanleitung. Die Vpn greift zur Ver- suchsanleitung und liest darin. 4 SL Schreibenbzw. Lesen Ein Text oder Daten werden abge- schrieben oder übertragen, oder eine Wertetabelle wird angelegt. Auf Papier festgehalte- ne Werte werden in den Computer einge- geben. 5 MA Manipulieren Der Versuchsaufbau wird manipuliert, oder es wird eine Probemessung ohne Werteaufnahme gemacht. Eine Schaltung wird aufgebaut; Ein Messbe- reich wird eingestellt. 6 ME Messen Es werden Messwerte aufgenommen, oder es wird auf die Anzeige von Messwerten gewartet. Eine Lissajous-Ellipse wird aufgenommen. 7 DM Datenbear-beitung Aufgenommene Messdaten werden manipuliert (z.B. umgerechnet), oder ihre Darstellungsweise wird geändert. Aus einer ORIGIN- Wertetabelle wird ein Graph erstellt. 8 MB Modellbil-dung Modellbildung: Beziehungen zwischen Modellgrößen werden aufgestellt oder verändert (expressive mode; Kap. 3- 3). Im STELLA-Modell wird das Vorzeichen der Reibungskraft verän- dert. 9 CMA Computer-manipulation Es treten Probleme bei der Bedienung der Software auf, oder es wird etwas formatiert oder abgespeichert. Eine falsch angeklickte Funktion wird wieder rückgängig gemacht. Tabelle 8.1: Beschreibung der Kategorien A zur Erfassung der Tätigkeiten der Studie- renden im Praktikum. In diesem und in den folgenden Kapiteln müssen häufig Abkürzungen verwendet wer- den. Möglicherweise empfiehlt es sich daher zum besseren Textverständnis während der weiteren Lektüre, diese Übersicht (wie auch Tabelle 8.2, S. 61) zu kopieren, um sie immer zur Hand zu haben. KAPITEL 8: ANALYSE DER VIDEODATEN58 Operationalisierung der Kategorien A Die Zuordnung der Kategorien zu den Tätigkeiten richtet sich nach genauen Vorgaben, um eine hinreichende Beobachterübereinstimmung zu gewährleisten. Dazu werden für jede Kategorie möglichst viele konkrete Verhaltensweisen, die in diese Kategorie fallen, als Ankerbeispiele (MAYRING 1997) beschrieben. Ebenso wird für jede Kategorie eine Reihe konkreter Verhaltensweisen, die nicht in die Kategorie fallen, beschrieben. Fer- ner werden Kodierregeln zur Abgrenzung der Kategorien untereinander aufgestellt. Die Kodierregeln kommen in Zweifelsfällen zum Einsatz. Zweifelsfälle können unter ande- rem auftreten, wenn innerhalb eines Beobachtungszeitraumes von 30 s zwei oder mehr verschiedene Tätigkeiten mit etwa gleich großen zeitlichen Anteilen beobachtet werden. Die Regeln legen fest, welche Kategorien in solchen Fällen jeweils vorzuziehen sind. Das genaue Vorgehen ist in Abschnitt 8-4 über die Durchführung der Analyse (siehe S. 64) beschrieben. Die detaillierte Beschreibung der Kategorien und die Kodierungsvor- schriften finden sich in Anhang 3. Tätigkeiten mit dem Computer Die Tätigkeitskategorien A können gleichermaßen auf traditionelle wie auf computerge- stützte Praktikumsarbeit angewandt werden. Zum Beispiel müssen auch bei der Ver- wendung des Programms zur Messwerterfassung (CASSY) Messbereiche eingestellt werden. Diese Tätigkeit wird demnach mit MA kodiert. Auch auf die Arbeit mit dem Modellbildungssystem werden die Kategorien im Sinne ihrer jeweiligen Definition an- gewandt:  Das Durchführen eines Simulationslaufes unter Ausgabe eines Graphen (exploratory mode; siehe Kap. 3-3) wurde mit ME kodiert, da es sich um eine dem Aufnehmen von Messwerten analoge Tätigkeit handelt.  Die Eingabe verschiedener Parameterwerte und anderer Simulationsbedingungen (ebenfalls exploratory mode) wurde analog zur Einstellung von Messbereichen be- handelt und mit MA kodiert. Auf der Ebene einer reinen Tätigkeitsbeschreibung ist dieses Vorgehen plausibel. Man muss allerdings vermuten, dass auf kognitiver Ebene der Umgang mit dem Modellbil- dungssystem eine andere Qualität besitzt als der Umgang mit realen Versuchsaufbau- ten. Dies wurde bei der den kognitiven Aspekt der Praktikumsarbeit erfassenden Kodie- rung der Sprechhandlungen berücksichtigt. Das genaue Vorgehen geht aus Abschnitt 8- 3 hervor. 8-3 KODIERUNG DER SPRECHHANDLUNGEN Die Anwendung der Kategorien B (Abb. 8.1) soll Aufschluss darüber geben, welche kognitiven Leistungen die Studierenden bei der Handlungsregulation im Praktikum erbringen, und welche Inhaltsbereiche dabei berührt werden. Die Kategorien lassen sich aus den in Kapitel 4 dargestellten theoretischen Überlegungen zum Physiklernen im Praktikum ableiten. Dort wurden unter anderem drei relevante Inhaltsbereiche her- ausgearbeitet: der technische, der methodische und der physikalische Inhaltsbereich. 8-3 KODIERUNG DER SPRECHHANDLUNGEN 59 Darüber hinaus wurden in jedem Inhaltsbereich zwei Stufen der Komplexität der Handlungsregulation beschrieben: objektbezogenes Handeln (deskriptive kognitive E- bene) und konzeptbezogenes Handeln (abstrakte kognitive Ebene). Theoretische Ableitung der Kategorien B Beide Aspekte - Inhaltsbereiche und Komplexitätsniveaus - finden sich im hier be- schriebenen Kategoriesystem wieder. Allerdings werden der technische und der metho- dische Inhaltsbereich zusammengefasst und von nun an als Inhaltsbereich Messung bezeichnet. Dieser Schritt ist notwendig, da andernfalls das Kategoriesystem zu kom- plex würde und unter den vorgegebenen Analysebedingungen, insbesondere zeitgleich mit den Tätigkeitskategorien, nicht mehr anwendbar wäre. Aus dem selben Grund kann mit den Kategorien keine Unterscheidung zwischen Ebenen der Handlungsregulation nach DÖRNER (planendes Denken vs. Exploration; siehe Kap. 4) getroffen werden. Die- ser Aspekt wird in der Ergebnisdiskussion wieder aufgegriffen (Kap. 12). Es wird deutlich, dass für die eingesetzte Methode zur Videoanalyse ein Kompromiss zwischen theoretischem Anspruch und praktischer Umsetzbarkeit des Kategoriesys- tems gefunden werden muss. Da im Mittelpunkt der Untersuchung das Physiklernen im Praktikum steht, wird mit dem Kategoriesystem nur im physikalischen Inhaltsbe- reich eine Unterscheidung bezüglich der beiden Komplexitätsebenen getroffen. Der In- haltsbereich Messung wird ohne diese Differenzierung erfasst. Ferner werden Sprech- handlungen, die gar nichts mit dem jeweiligen Praktikumsexperiment zu tun haben, gesondert kodiert. Insgesamt ergeben sich die in Abbildung 8.2 (nächste Seite) darge- stellten sechs Kategorien. Die Kategorien B werden einer beobachteten Sprechhandlung in zwei Schritten zugeordnet: Zunächst wird entschieden, ob die Sprechhandlung sich auf das Praktikumsexperiment bezieht. Dann wird entschieden, ob die Sprechhandlung in einen der Inhaltsbereiche Physik oder Messung fällt. Die Inhaltsbereiche lassen sich durch charakteristische Fragestellungen beschreiben. Sprechhandlungen, die in den Inhaltsbereich Messung fallen, beziehen sich auf die Fra- ge „Wie kommt man zu gültigen Messergebnissen?“ bzw. „Wie werden die physikali- schen Größen gemessen?“. Sprechhandlungen, die in den Inhaltsbereich Physik fallen, enthalten physikalische Konzepte. Auf der deskriptiven Ebene beziehen sie sich auf die Frage „Welche physikalischen Größen sind beteiligt?“. Auf der abstrakten Ebene geht es um die Frage „Wie sind die physikalischen Zusammenhänge?“. Es kann auch der Fall auftreten, dass eine Sprechhandlung versuchsbezogen ist, aber in keinen der beiden In- haltsbereiche Messung oder Physik fällt. In diesem Fall werden Objekte manipuliert, Ereignisse beobachtet oder Handlungsprogramme ausgeführt, ohne dass die hand- lungsleitenden Kognitionen physikalische oder methodische Aspekte des Praktikum- sexperiments berühren. Es wird dann nur die Kategorie O (bzw. D) kodiert (vgl. Abb. 8.2 u. 8.3). KAPITEL 8: ANALYSE DER VIDEODATEN60 Sprechhandlungen   VERSUCHSBEZOGENE ANDERE Zuordnungs- schritt 1 Kategorie O bzw. D Kategorie X INHALTSBEREICH PHYSIK INHALTSBEREICH MESSUNG Zuordnungs- schritt 2 Kategorie P deskriptive Ebene Kategorie PP abstrakte Ebene* Kategorie M Abbildung 8.2: Kategorien B zur Kodierung der Sprechhandlungen während der Prakti- kumsarbeit. Die Kategorien O (bzw. D; zur Erläuterung des Unterschieds s.u.) und X er- fassen, ob eine Sprechhandlung sich auf das Praktikumsexperiment bezieht oder nicht. Die Kategorien M, P und PP leiten sich aus den in Kapitel 4 dargestellten theoretischen Überlegungen ab (*manipulating ideas; LUNETTA 1998). Nach diesem Schema, und unter Berücksichtigung der in Kapitel 4 dargestellten theo- retischen Grundlagen, können die einzelnen Kategorien wie folgt interpretiert werden (Abb. 8.3): X: Die handlungsleitenden Kognitionen beziehen sich nicht auf das Praktikumsexperiment. O bzw. D: Die handlungsleitenden Kognitionen beziehen sich auf das Praktikumsexperi- ment. Sie berühren aber weder den physikalischen noch den messbezogenen Inhaltsbe- reich. M: Die handlungsleitenden Kognitionen berühren den Inhaltsbereich Messung. P: Die handlungsleitenden Kognitionen berühren den Inhaltsbereich Physik. Die Hand- lungsregulation findet bezüglich dieses Inhaltsbereichs aber auf einer deskriptiven Ebene statt (niedrige Komplexität). Es werden keine physikalischen Konzepte zueinander in Be- ziehung gesetzt. PP: Die handlungsleitenden Kognitionen berühren den Inhaltsbereich Physik. Die Hand- lungsregulation findet bezüglich dieses Inhaltsbereichs auf einer abstrakten Ebene statt (hohe Komplexität). Es werden physikalische Konzepte zueinander in Beziehung gesetzt (manipulating ideas). Damit ist eine Grundvoraussetzung für (physikalisch-) theoriegeleite- tes Handeln erfüllt. Abbildung 8.3: Bedeutung der Kategorien zur Kodierung der Sprechhandlungen (siehe auch Abb. 8.2). Zur Komplexität siehe Kapitel 4-1 bzw. FISCHER (1994). 8-3 KODIERUNG DER SPRECHHANDLUNGEN 61 Operationalisierung der Kategorien B (erster Schritt) In einem ersten Operationalisierungsschritt wird definiert, bei welcher Art von Äuße- rung die jeweilige Kategorie zutreffen soll. Zu jeder Kategorie werden Beispiele aus dem Datenmaterial gesammelt. Es ergeben sich die in Tabelle 8.2 dargestellten Kategoriebe- schreibungen. KATEGORIE BESCHREIBUNG BEISPIEL 1 O Objekt, Ereig- nis, Hand- lungsprogram m Äußerung bezieht sich auf ein reales Objekt oder Ereignis, oder ist ein ent- sprechendes Handlungsprogramm „Lass uns mal das rote Kabel nehmen.“ 2 D Daten, Formel, Handlungs- programm Äußerung bezieht sich auf aufgenom- mene Daten, auf Text (Symbole), oder ist ein entsprechendes Handlungspro- gramm „Kopier die Werte mal hier rüber.“ 3 M Messbezogen Äußerung fällt in den InhaltsbereichMessung „Wir brauchen mehr Messwerte.“ 4 P Physikbezogen Äußerung fällt in den Inhaltsbereich Physik; sie enthält ein physikalisches Konzept „Lies doch mal die Pha- se ab.“ 5 PP Theorie-bezogen Äußerung fällt in den Inhaltsbereich Physik; sie enthält einen Zusammen- hang zwischen physikalischen Konzep- ten „Die Amplitude ist von der Frequenz abhän- gig.“ 6 X Versuchsfremd Äußerung hat keinen Versuchsbezug. „Was gab’s denn heutein der Mensa?“ Tabelle 8.2: Beschreibung der Kategorien B zur Kodierung der Sprechhandlungen der Studierenden im Praktikum. Rolle der Kategorien O und D Bereits aus Abbildung 8.2 (S. 60) geht hervor, dass die beschriebenen Kategorien nicht voneinander unabhängig sind. Zum Beispiel kann eine der Kategorien M, P oder PP nur kodiert werden, wenn auch eine der Kategorien O oder D kodiert wird (wenn die Sprechhandlung versuchsbezogen ist). Dabei haben die Kategorien O und D eine dop- pelte Funktion. Einerseits charakterisieren sie eine Sprechhandlung als versuchsbezo- gen (im Gegensatz zu versuchsfremden Äußerungen). Andererseits wirken sie wie ein Filter: Sprechhandlungen, die sich auf reale Objekte und Ereignisse im Praktikum be- ziehen, werden von Sprechhandlungen, die sich auf Text oder Symbole, wie etwa be- reits aufgenommene Messwerte, beziehen, getrennt. Mit dieser Anwendung der Katego- rien O und D werden zwei Ziele verfolgt:  Es kann untersucht werden, inwieweit die Durchführung des realen Experiments notwendig ist, um bestimmte Handlungsweisen zu fördern. Sprechhandlungen, die mit D kodiert werden, treten auch auf, wenn nicht mit realen Objekten experimen- KAPITEL 8: ANALYSE DER VIDEODATEN62 tiert wird. Es würde z.B. genügen, den Studierenden Datenreihen zur Auswertung zu geben.  Die Arbeit mit dem Modellbildungssystem im exploratory mode (vgl. S. 58) wird vom Messen und Manipulieren bei der „realen“ Praktikumsarbeit getrennt. Da im Modellbildungssystem nur Symbole manipuliert werden, werden diesbezügliche Sprechhandlungen immer mit D kodiert. Definition der zu kodierenden Sprechhandlungen Als Sprechhandlung werden verbale Äußerungen von Personen bezeichnet. Sie treten im Praktikum auf, weil die in Zweiergruppen arbeitenden Vpn miteinander kommuni- zieren. Dabei gibt es Situationen, in denen eine Vpn selbst keine explizite Sprechhand- lung ausführt, sondern als „Empfänger“ am Kommunikationsprozess beteiligt ist. Da bei der Videoanalyse jede Vpn einzeln beobachtet wird, ist es wichtig, diese Situationen zu berücksichtigen, um gültige Aussagen über die kognitive Beanspruchung der Studie- renden im Praktikum machen zu können (Tiefenstruktur der Tätigkeit, s.o.). Als Sprechhandlung werden daher auch Äußerungen betrachtet, mit denen die beobachtete Vpn zu erkennen gibt, dass sie ihre Aufmerksamkeit auf die Sprechhandlung des Ge- genübers richtet. Dafür kann zum Beispiel ein kurzes „ja“ oder „nein“ genügen. Kodiert wird dann die Sprechhandlung des Praktikumpartners bzw. des Betreuers. Sie wird beiden beteiligten Personen zugeschrieben (Tabelle 8.3). VPN 1 (NICHT BEOBACHTET) VPN 2 (BEOBACHTET) SPRECHHANDLUNG VON VPN 1 AUCH FÜR VPN 2 KODIERT? „Fahr mal die Frequenz hoch!“ Fährt die Frequenz hoch, sagt nichts, keine Gestik nein „Wie ist das?: Wir legen den Schutzwiderstand da- hin...“ „Klar, dann sinkt die Span- nung.“ ja „Der Nullpunkt muss wei- ter runter.“ „Hm, ich weiß nicht.“ ja „Hast du die Amplitude schon abgelesen?“ „Warte mal, ich rechne grade.“ nein Tabelle 8.3: Beispiele zur Illustration des Vorgehens bei der Kodierung der Sprech- handlungen in einer Zweiergruppe. Jede Vpn wird einzeln beobachtet. Ihr wird die Sprechhandlung des Partners ebenfalls zugeschrieben, wenn ihre Antwort sich auf des- sen Äußerung bezieht. Gleichzeitiges Zutreffen von Kategorien Während eines Beobachtungszeitraumes von 30 s können auch mehrere Verbalkatego- rien zutreffen. Dies ist der Fall, wenn die Sprechhandlungen einer Vpn sich auf ver- schiedene Inhaltsbereiche beziehen. Die Anwendungsbeispiele in Tabelle 8.4 verdeutli- chen das Prinzip, nach dem bestimmten Äußerungen der Vpn verschiedene Kategorien 8-3 KODIERUNG DER SPRECHHANDLUNGEN 63 oder Kategoriekombinationen zugeordnet werden. Weitere Beispiele finden sich in An- hang 3. BEISPIELE FÜR SPRECHHANDLUNGEN KODIERUNG „Schau mal, wie das Pendel schwingt!“ O „Hast du die Amplitude schon abgelesen?“ P „Der Knopf hier ist für hohe, der andere für niedere Frequenzen.“ P „Wie ist das?: Wir legen den Schutzwiderstand da hin...“ M „Ok, wir können die Messung starten.“ M „Fahr mal die Frequenz hoch!“ M P „Der Motor kann ja gar keine Phasenverschiebung über 90 Grad lie- fern.“ M P „Wieso, die Periodendauer ist doch nicht amplitudenabhängig, oder?“ PP „Die Phase ist die Zeit zwischen den Nulldurchgängen.“ M PP Tabelle 8.4: Kodierung der Kategorien für Beispiele von Sprechhandlungen (die Bei- spiele entstammen den Videodaten). Operationalisierung (zweiter Schritt) Die bisherige Beschreibung der Kategorien reicht für eine zuverlässige Anwendung bei der Analyse nicht aus. Der Hauptunsicherheitsfaktor liegt in der Beurteilung, ob eine Äußerung messbezogen, physikbezogen oder theoriebezogen ist. Damit nicht verschie- dene Beobachter zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, bedarf es genauer Vor- schriften, welche Sprechhandlungen mit welchen Kategorien kodiert werden sollen. Hierfür wird die Kodierung an „Indikatoren“ geknüpft. Dabei handelt es sich um be- stimmte, für die Kategorien jeweils typische Klassen von Begriffen. Das Auftreten eines entsprechenden Indikators in einem Beobachtungszeitraum wird als notwendige Be- dingung für das Kodieren der Sprechhandlung mit einer Kategorie festgelegt.  Indikatoren für die Kategorie M sind z.B. die Ausdrücke: Messbereich, Amplituden- schritte, einstellen, Genauigkeit, bestimmen, Ergebnis, genau, Grad, Regression, Messwert, Y-Eingang, Hertz, Nullpunkt, etc.  Indikatoren für die Kategorien P und PP sind z.B. die Ausdrücke: Drehmoment, Kraft, Dämpfung, Phasensprung, Einschwingvorgang, Frequenz, Auslenkung, harmonisch, stationär, zeitlicher Verlauf, Spannung, etc. Bedingung für das Kodie- ren der Kategorie PP ist dann, dass mindestens zwei dieser Indikatoren zueinander in Beziehung gesetzt werden. Vergleichbar dem Vorgehen bei den Tätigkeitskategorien A werden auch hier für jede Kategorie möglichst viele konkrete Verhaltensweisen beschrieben, die in diese Katego- rie fallen. Zur besseren Abgrenzung der Kategorien werden Gegenindikatoren aufgelis- tet und Kodierregeln aufgestellt, die in Zweifelsfällen (wenn die Zuordnung nicht ein- deutig erscheint) anzuwenden sind. Die detaillierte Beschreibung der Kategorien und KAPITEL 8: ANALYSE DER VIDEODATEN64 die Kodierungsvorschriften sind in Anhang 3 dokumentiert. Dort findet sich auch eine ausführlichere Liste von Indikatoren. Während die aus theoretischen Überlegungen abgeleiteten Kategorien eine allgemeine inhaltliche Gültigkeit besitzen, muss, wie in diesem Abschnitt deutlich wird, die Opera- tionalisierung der Kategorien eng an den Analysekontext angepasst werden. Für diese Untersuchung wurde sie spezifisch für die beiden betrachteten Praktikumsexperimente durchgeführt. Für andere Analyseinhalte müssten die Vorschriften entsprechend ver- ändert werden. Die Anwendungsvorschriften entstanden in einem mehrere Wochen dauernden Arbeitsprozess. Sie erweisen sich als essentiell für eine zuverlässige Anwen- dung der Kategorien. 8-4 DURCHFÜHRUNG DER ANALYSE Zur Videoanalyse wurde ein Analysebogen eingesetzt. In ihm sind von oben nach unten die Zeitschritte aufgetragen, und von links nach rechts die oben beschriebenen Katego- rien (Abb. 8.4). Ein Videoband wurde jeweils von zwei Ratern, die vor der Analyse mehrere Wochen lang trainiert hatten, zeitgleich bearbeitet. Erst nach Erfüllung des Kriteriums der Zu- verlässigkeit der Beobachtung (s.u.) wurde das Training beendet und mit der eigentli- chen Analyse begonnen. Die gesamten Daten wurden dann in einem regelmäßigen Rhythmus (zwei Sitzungen pro Woche) analysiert. Damit wurde eine Beeinträchtigung der Analyse durch Vergessen der Anwendungsregeln verhindert. Abbildung 8.4: Ausschnitt aus dem eingesetzten Analysebogen. Nach jedem Beobach- tungszeitraum von 30 Sekunden wird ein Kreuz für die zutreffende Tätigkeitskategorie, und - bei Auftreten einer Sprechhandlung - mindestens ein Kreuz für die zutreffende(n) Verbalkategorie(n) eingetragen. Zeit Tätigkeiten Sprechhandl. X 3 P L G S L M A M E D M M B C M A O D M P P P X Bemerkungen 0 X X X X X X X X 1 X X X X X 2 X X X X 3 X X X 4 X X X X X 5 X X X X X 6 X X X X 8-4 DURCHFÜHRUNG DER ANALYSE 65 Die Bearbeitung eines Videobandes (Länge: 3-6 h) dauert zwischen 4 und 8 Stunden. Jeder Rater beobachtet eine Vpn der betreffenden Zweiergruppe. Alle 30 Minuten wird eine Pause gemacht. Die Pause wird genutzt, um unklare Situationen wiederholt anzu- sehen und, bei bleibender Unklarheit, die Kodierung auszuhandeln. Dabei wird streng im Sinne der Definition und der Operationalisierung der Kategorien argumentiert. Zusammenhang zwischen den Kategoriesystemen Oberstes Kriterium bei der Kodierung ist die Zuordnung der Sprechhandlungen zur zu- gehörigen Tätigkeit. Es kommt zur Anwendung, wenn innerhalb eines Kodierungszeit- raumes von 30 s mehre Tätigkeiten zu gleichen zeitlichen Anteilen beobachtet werden. Diese Fälle sind in der Praxis selten. In der Regel sind die Handlungen eindeutig einer Tätigkeitskategorie zuzuordnen. Trotzdem muss in einem solchen Fall eine Entschei- dung für eine der Tätigkeiten getroffen werden. Insbesondere muss, wenn es im glei- chen Beobachtungszeitraum auch verschiedene Sprechhandlungen gibt, diejenige Sprechhandlung kodiert werden, die zusammen mit dieser Tätigkeit auftritt. Hinter diesem Kriterium steckt die Annahme, dass bestimmte Tätigkeiten im Prakti- kum die Nutzung bestimmter kognitiver Strukturen zur Handlungsregulation fördern (s.o.; vgl. auch Kap. 6-2). Es wird ein kausaler Zusammenhang zwischen Tätigkeit und handlungsleitenden Kognitionen (und damit den Sprechhandlungen) angenommen. Der Zusammenhang lässt sich handlungstheoretisch begründen (Kap. 4). Die Ergebnis- se der Analyse sollen Aussagen über die Wirkung dieses Zusammenhangs im physikali- schen Praktikum ermöglichen. Da dies über die Auswertung des Analysebogens ge- schieht, ist die adäquate Zuordnung von Tätigkeit und Sprechhandlung von großer Bedeutung. Um das Kriterium zu erfüllen, und um eine unterschiedliche Kodierung ähnlicher Situ- ationen durch die beiden Beobachter zu vermeiden, wird ein Regelsystem zur Prioritä- tensetzung aufgestellt. In strittigen Fällen werden diejenigen Tätigkeiten und Sprech- handlungen bevorzugt kodiert, auf die mehr Kategorien und Kategorien höherer Komplexität zutreffen (Abb. 8.5). TÄTIGKEITEN KOD. SPRECHHANDLUNGEN KOD. 15s lang Die Vpn stellt am Ver- suchsaufbau einen Mess- bereich ein. MA „Moment, so groß darf der nächste Schritt nicht sein, sonst ist die Dämp- fung zu stark für die klei- ne Winkelgeschwindig- keit“ O M PP BE OB AC HT UN GS ZE ITR AU M 30 S 15s lang Die Vpn nimmt Messwer- te auf. ME „Hm, schwingt ziemlich langsam“ O Abbildung 8.5: Beispiel für die Kodierung von Sprechhandlungen in nicht eindeutigen Si- tuationen. Es muss eine Entscheidung für einen der beiden 15s-Zeiträume getroffen werden. Kodiert werden die ersten 15 Sekunden, da dort mehr Kategorien und Katego- rien höherer Komplexität zutreffen. KAPITEL 8: ANALYSE DER VIDEODATEN66 Umfang der analysierten Daten Das Beobachtertraining sowie die eigentliche Analyse der Videoaufnahmen sind sehr zeitaufwendig. Daher muss eine Beschränkung auf einen Teil der Aufnahmen erfolgen. Es wurden alle neun Versuchsdurchführungen von Versuch II (Anharmonische Schwingungen) analysiert. Damit liegen die kompletten Daten der 18 Vpn für diesen Versuch vor. Das Vorhaben, auch alle zugehörigen Versuchsauswertungen zu analysie- ren, wurde nach der Analyse von drei Videobändern (6 Vpn, 2 pro Vergleichsgruppe) aufgegeben. Es wurde unter Berücksichtigung der Analyseergebnisse der Versuchs- durchführung klar, dass dadurch keine neuen Ergebnisse zu erwarten sind, die den ho- hen Aufwand rechtfertigen. Des Weiteren wurden drei Aufnahmen der Durchführung von Versuch I (RC-Relaxation) analysiert (6 Vpn, 2 pro Vergleichsgruppe). Anhand die- ser Daten können die Analyseergebnisse von Versuch II auf über den spezifischen Ver- such hinausgehende Gültigkeit überprüft werden. Insgesamt wurden über 110 Stunden Praktikumsarbeit der 18 Vpn (Tab. 8.5) analysiert. VERSUCH I VERSUCH II GESAMT: 18 VPN, CA. 110H PRAKTIKUMSARBEIT RC-Relaxation AnharmonischeSchwingungen TRAD 2 Vpn 6 Vpn MBL 2 Vpn 6 VpnVersuchs-durchführung MBS 2 Vpn 6 Vpn TRAD - 2 Vpn MBL - 2 VpnVersuchsaus-wertung MBS - 2 Vpn Tabelle 8.5: Übersicht über die analysierten Videodaten. 8-5 BEOBACHTERÜBEREINSTIMMUNG Vor Beginn der Analyse wird eine ausreichend hohe Übereinstimmung zwischen den Kodierungen zweier Beobachter gesichert. Die Skalen zur Einstufung der Tätigkeiten und Sprechhandlungen haben Nominalskalenniveau. Zur Berechnung der Beobachter- übereinstimmung auf diesem Skalenniveau bietet sich der Kappa-Koeffizient an (ASENDORPF & WALLBOTT 1979, 250). Er wurde von COHEN (1960) entwickelt und be- rechnet die prozentuale Übereinstimmung zwischen zwei Beobachtern, die um die zu- fällig erwartete Übereinstimmung korrigiert wird. Dies geschieht mit Hilfe einer Beo- bachtungsmatrix (Abb. 8.6 und 8.7). Gegenüber alternativen Maßen, wie etwa dem Kontingenzkoeffizienten C, bietet Kappa einen entscheidenden Vorteil. Bei C beruht die Berechnung der Zufallsübereinstim- mung auf einer angenommenen Gleichverteilung der Kodierungen über alle Zellen der Matrix. Für den Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist dies unrealistisch. Es wür- de bedeuten, dass alle Kategorien von beiden Beobachtern gleich oft kodiert werden. Im 8-5 BEOBACHTERÜBEREINSTIMMUNG 67 Fall von Kategoriesystem A hätten dann alle Tätigkeiten den gleichen Anteil an der Praktikumszeit. Dass dies nicht der Fall ist, wird bereits aus den Randsummen in Ab- bildung 8.6 ersichtlich. Bei der Berechnung von Kappa werden für die zufällige Übereinstimmung keine sol- chen Vorannahmen getroffen, sondern die Randsummen der tatsächlichen Vertei- lungsmatrix herangezogen. Die erwartete Häufigkeit für eine Zelle ergibt sich dann aus dem Produkt der entsprechenden Zeilen- und Spaltensumme, geteilt durch die Zahl der Gesamtfälle. Wenn die Kodierungen der Beobachter nicht gleichmäßig über die Katego- rien verteilt sind, ergibt sich so eine angemessenere Einschätzung der zufälligen Über- einstimmung. BEOBACHTER 1 X 3P LG SL MA ME DM MB CMA X 25 1 0 0 5 4 1 0 0 36 3P 0 291 2 0 13 7 1 0 1 315 LG 0 3 36 1 6 3 1 0 1 51 SL 0 1 3 14 2 1 5 0 3 29 MA 4 12 7 2 239 26* 3 1 2 296 ME 5 9 0 3 29* 337 5 1 1 390 DM 0 6 0 0 0 6 104 0 11 127 MB 0 0 0 0 0 0 0 63 0 63 BE OB AC HT ER 2 CMA 1 1 1 0 4 3 7 2 58 77 25 324 49 20 298 387 127 67 77 1384 Abbildung 8.6: Beobachtungsmatrix für 1384 Fälle (692 min), in denen Tätigkeiten ko- diert wurden. Die Diagonale enthält die Zahl der Übereinstimmungen. Am Ende jeder Zeile bzw. Spalte stehen die Randsummen. Die mit * gekennzeichneten Werte stellen die größte Fehlerquelle dar. Da es sich um zwei abgeschlossene Kategoriesysteme handelt, wurde Kappa für jedes Kategoriesystem gesondert berechnet. Die Matrix für die Tätigkeitsbeobachtungen (Abb. 8.6) lässt sich leicht erstellen und auswerten, da für jeden Fall (d.h. jeden Beo- bachtungszeitraum) jeder Rater genau eine Kodierung vornimmt. Das Erstellen der Matrix für die Beobachtung der Sprechhandlungen ist schwieriger. Hier können von je- dem Rater in jedem Fall verschiedene Kodierungen kombiniert werden. Beispielsweise kann, wenn beide Beobachter PP kodieren, trotzdem ein Fehler auftreten, falls nämlich gleichzeitig einer der Beobachter auch M kodiert. In der Beobachtungsmatrix für die Verbalkategorien sind daher nur die Zellen zu berücksichtigen, die den sinnvollen Ka- tegoriekombinationen entsprechen (Abb. 8.7). KAPITEL 8: ANALYSE DER VIDEODATEN68 BEOBACHTER 1 O D nurOD M nurM P PP nurPPP X S O 637 30 11 36* 714 D 34 298 0 16 348 nurOD 62* 19 2 83 M 81* 269 38 388 nurM 26 7 33 P 32 21 138 13 204 PP 7 1 22 72 102 nurPPP 19 19 X 4 3 17 7 31 BE OB AC HT ER 2 S 53* 16 4 218 291 728 347 120 350 22 205 94 38 32 277 2213 Abbildung 8.7: Beobachtungsmatrix für 1384 Fälle (692 min), in denen Sprechhandlun- gen kodiert wurden. Leere Zellen bedeuten, dass die entsprechende Kategoriekombina- tion nicht möglich ist oder bereits in einer anderen Zelle enthalten ist. S ist eine zu- sätzlich eingeführte Kategorie, die die Anzahl der Zeitschritte ohne Sprechhandlungen enthält. Die mit * gekennzeichneten Werte stellen die größten Fehlerquellen dar. Überprüfung der Übereinstimmung Die Überprüfung der Beobachterübereinstimmung wurde mit der Operationalisierung der Kategorien (s.o.) verbunden. Die Kategorien wurden in mehreren iterativen Arbeitsschritten operationalisiert. Dabei wurden regelmäßig Stichproben des Video- materials von zwei Beobachtern kodiert und die Übereinstimmungskoeffizienten be- rechnet. Dieses Verfahren wurde auch während der eigentlichen Analyse der Aufnah- men beibehalten, um eine gleichbleibend gute Übereinstimmung sicherzustellen. Bei der Stichprobenwahl wurde darauf geachtet, dass es sich um möglichst viele, in Bezug auf die Tätigkeitsstruktur unterschiedliche Sequenzen handelt. Die Beobachterüberein- stimmung wurde also sowohl für Praktikumsphasen mit eintöniger Messwertaufnahme, als auch für abwechslungsreiche Phasen überprüft. Mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms wurden die Beobachtungsmatrizen aus den in den Analysebögen eingetragenen Kodierungen erstellt und Kappa berechnet. Die Ergebnisse sind, für alle durchgeführten Tests zusammengefasst, in Tabelle 8.6 darge- stellt. 8-5 BEOBACHTERÜBEREINSTIMMUNG 69 KATEGORIESYSTEM KAPPA PROZENTUALEÜBEREINSTIMMUNG ANZAHL FÄLLE Tätigkeiten 0.81 84% 1384 Sprechhandlungen 0.69 80% 1384 Tabelle 8.6: Beobachterübereinstimmung für die Kategoriesysteme A und B. Die Werte beruhen auf Beobachtungsstichproben im Umfang von insgesamt 692 Minuten Prakti- kumsarbeit. Die Berechnungen zeigen, dass die Übereinstimmung für die Tätigkeitskategorien hö- her liegt als für die Verbalkategorien. Dieses Ergebnis ist plausibel, da das erste Katego- riesystem nur eine inhaltliche Dimension besitzt und die Kategorien zudem disjunkt sind. Im zweiten Kategoriesystem dagegen ist durch die verschiedenen Kategoriekom- binationen die Wahrscheinlichkeit einer nicht oder nur teilweise korrekten Kodierung recht hoch. Es ist im Hinblick auf die spätere Interpretation der Analyseergebnisse auf- schlussreich, die Verteilung der Zellwerte in den Beobachtungsmatrizen zu betrachten. Dabei stellt sich heraus, dass es zwei deutliche Hauptfehlerquellen bei der Kodierung der Sprechhandlungen gibt (Abb. 8.7): (1) Die Entscheidung, ob die Kategorie M (Inhaltsbereich Messung) zutrifft. Damit bestätigen sich Erfahrungen aus der Kategorie-Operationalisierung, nach de- nen dieser Inhaltsbereich am wenigsten klar definierbar ist. Dies liegt unter anderem daran, dass zwei Inhaltsbereiche (Methodik und Technik) zusammengefasst wurden. Insbesondere die Handlungsregulation im technischen Bereich ist nur schwer vom einfachen Manipulieren von Objekten abzugrenzen. Im Hinblick auf Ergebnisse bezüg- lich des physikalischen Inhaltsbereichs hat dieser Beobachtungsfehler keine Bedeu- tung. Eine Berechnung von Kappa, bei der dieser Hauptfehler nicht eingeht, ergibt ei- nen Wert von  = 0.72. (2) Die Entscheidung, ob eine Sprechhandlung vorliegt. Auch dies bestätigt Erfahrungen aus der Videoanalyse. Danach lässt es sich bei der Analyse in Echtzeit nicht vermeiden, hin und wieder eine Sprechhandlung zu überse- hen. Dieser Fehler ist jedoch von geringerer Bedeutung, da ohnehin davon ausgegangen wird, dass genügend Sprechhandlungen für gültige Analyseergebnisse vorliegen (s.o.). Bei der Kodierung der Tätigkeiten liegt die größte Fehlerquelle in der Kodierung der Kategorien MA (Manipulieren) und ME (Messung) (Abb. 8.6). Das liegt daran, dass diese Tätigkeiten eng miteinander verknüpft sind. Vor, während oder nach einer Mes- sung wird in der Regel auch am Versuchsaufbau manipuliert. Es gibt daher einige Fälle, in denen die Entscheidungen zweier Beobachter, welche Kategorie zutrifft, verschieden ausfallen. Die erhaltenen Kappawerte sind hoch. Nach BOS (1989) gelten Reliabilitätsangaben mit >.70 als zufriedenstellend. Es kann also, unter Berücksichtigung der eben beschriebe- nen Hauptfehler, davon ausgegangen werden, dass bei Anwendung der beiden Katego- riesysteme verschiedene, in der Kodierung geübte Beobachter zu gut übereinstimmen- den Ratings kommen. Kapitel 9 ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE 9-1 Einführung 9-2 Analyse der Tätigkeiten 9-3 Analyse der Sprechhandlungen 9-4 Zusammenhang zwischen Tätigkeiten und Sprechhandlungen 9-5 Ergebnisse zur Versuchsauswertung 9-6 Ergebnisse zu Versuch I 9-7 Zusammenfassung 9-1 EINFÜHRUNG In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Videoanalyse vorgestellt. Es werden also die Tätigkeiten und die Qualität der Handlungsregulation der Studierenden während der Praktikumsarbeit untersucht. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Umgang mit physikalischen Konzepten bei der Handlungsregulation (manipulating ideas) eine Grundvoraussetzung für Physiklernen ist. Nach Kapitel 6-5 wird folgende Hypothese bezüglich des Lernens im physikalischen Anfängerpraktikum mit und ohne Computer im vorliegenden Kapitel überprüft: (1) Die im Praktikum bei der Handlungsregulation erbrachten kognitiven Leistungen der Studierenden hängen von der Art der Lernumgebung ab: (a) Im traditionellen Praktikum findet die Handlungsregulation bezüglich physikali- scher Inhalte auf der deskriptiven kognitiven Ebene statt. (b) Bei Einsatz des Computers zur Messwerterfassung (Gruppe MBL) findet die Handlungsregulation häufiger auf der abstrakten kognitiven Ebene statt als im traditionellen Praktikum (Gruppe TRAD). (c) Wird zusätzlich zur Messwerterfassung ein Modellbildungssystem eingesetzt (Gruppe MBS), findet die Handlungsregulation häufiger auf der abstrakten kog- nitiven Ebene statt als beim Einsatz des Computers nur zur Messwerterfassung (Gruppe MBL). KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE72 Aufbau des Kapitels Hypothese (1) wird in Abschnitt 9-3 (Analyse der Sprechhandlungen) überprüft. Die für diese Arbeit entwickelte Methode der Videoanalyse erlaubt es, über die Über- prüfung dieser Hypothese hinaus Ergebnisse zu erhalten, die zu einem besseren Ver- ständnis der Wechselwirkung zwischen Lernumgebung und Handlungen der Studie- renden beitragen. Sie ergeben sich zum einen aus der Analyse der Tätigkeiten (Abschnitt 9-2). Zum anderen sind es Ergebnisse über den Zusammenhang zwischen Tätigkeiten und Sprechhandlungen. Hierfür werden die beiden Kategoriesysteme mit- einander verknüpft (Abschnitt 9-4). Alle dargestellten Ergebnisse beziehen sich zunächst auf die Versuchsdurchführung von Versuch II („Anharmonische Schwingungen“). Zu diesem Versuch wurden alle Video- aufzeichnungen analysiert (siehe Kap. 8-4). In weiteren Abschnitten werden dann auch Ergebnisse bezüglich der Versuchsauswertung zu diesem Versuch, sowie zu Versuch I („RC-Relaxation“), beschrieben. Wenn im Text der allgemeine Ausdruck 'Praktikum' gebraucht wird, so ist damit immer das einzelne Praktikumsexperiment gemeint. Methodisches Vorgehen bei der Auswertung Die Darstellung der Ergebnisse bezieht sich jeweils auf die drei Gruppen TRAD (traditi- onelles Praktikum), MBL (computergestützte Messwerterfassung) und MBS (Mess- werterfassung und Modellbildungssystem). In jedem Abschnitt werden die Ergebnisse sowohl deskriptiv dargestellt, als auch statistisch auf Unterschiede zwischen den Grup- pen überprüft. Hierfür wurden einfaktorielle Varianzanalysen (ANOVAS) gerechnet. Als Prüfgrößen werden die üblichen F-Werte verwendet (z.B. BORTZ 1985). Zusätzlich zu den Grafiken sind jeweils Varianzanalysetabellen aufgeführt, welche die F-Werte (F), die zugehörigen Freiheitsgrade (df) und die Irrtumswahrscheinlichkeiten (p) der Effekte enthalten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird auf die Angabe der Stan- dardabweichungen verzichtet. Im Text werden alle statistisch signifikanten Unterschie- de zwischen den Gruppen erklärt und diskutiert. Beim Auftreten signifikanter Unter- schiede zwischen den drei Gruppen werden Post-Hoc-Tests nach Scheffé gerechnet, um zu lokalisieren, welche Einzelgruppen sich signifikant unterscheiden. Die Ergebnisse dieser Tests sind jeweils im Text beschrieben. 9-2 ANALYSE DER TÄTIGKEITEN Tabelle 9.0 zeigt die Gesamtdauer der Praktikumsarbeit für die drei Gruppen TRAD, MBL und MBS. Diese Größe wird im Folgenden als Praktikumszeit bezeichnet. Damit ist immer die Gesamtzeit gemeint, welche die Studierenden im Zusammenhang mit der Versuchsdurchführung dienstagnachmittags in den Praktikumsräumen der Universität verbracht haben. Zur Praktikumszeit können also auch bereits Auswertearbeiten gehö- ren, wenn die Studierenden solche direkt nach der Messwertaufnahme durchgeführt haben (später kommt noch die Auswertezeit hinzu; dabei handelt es sich um die Zeit, die die Studierenden über die Praktikumszeit hinaus mit der Versuchsauswertung und der Protokollerstellung verbracht haben). 9-2 ANALYSE DER TÄTIGKEITEN 73 TRAD MBL MBS PRAKTIKUMSZEIT 166 min 226 min 284 min Tabelle 9.0: Praktikumszeiten der Gruppen TRAD (traditionelles Praktikum), MBL (com- putergestützte Messwerterfassung) und MBS (Messwerterfassung und Modellbildungssys- tem) bei der Durchführung von Versuch II. Man erkennt in Tabelle 9.0, dass zum einen die Praktikumszeit bei den Vpn der tra- ditionellen Gruppe (TRAD) deutlich kürzer ausfällt als bei den Vpn der „computerge- stützten“ Gruppen (MBL und MBS). Zum anderen bewirkt der Einsatz des Modellbil- dungssystems (MBS) eine deutlich höhere Praktikumszeit als der alleinige Einsatz au- tomatischer Messwerterfassung (MBL). Um den Einfluss der unterschiedlichen Praktikumszeiten zu eliminieren, werden im Folgenden immer die prozentualen Anteile der verschiedenen Kategorien an der jewei- ligen Praktikumszeit betrachtet. Dabei entspricht die Praktikumszeit der Gesamtanzahl der Zeitschritte (Beobachtungszeiträume), in denen für eine Vpn Tätigkeiten kodiert wurden. Der Anteil einer Tätigkeit an der Praktikumszeit entspricht dann dem Anteil der mit der entsprechenden Tätigkeitskategorie kodierten Zeitschritte an der Gesamt- zahl der Zeitschritte. Der Übersichtlichkeit halber werden im Text meistens die Tätig- keitskategorien bzw. die zugehörigen Abkürzungen mit den entsprechenden Tätigkeiten gleichgesetzt. Ein Überblick über die Bedeutungen der Abkürzungen findet sich in den Tabellen 8.1 und 8.2 in Kapitel 8 (Seiten 57 und 61). Abbildung 9.1 zeigt die mittleren prozentualen Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit. Tabelle 9.1 enthält die zugehörigen Mittelwerte sowie die Kenn- zahlen der Varianzanalyse. Abbildung 9.1: Mittlere Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS (vgl. Tab 9.1) 0% 10% 20% 30% 40% 50% X 3P LG SL MA ME DM MB CMA Tätigkeiten An te il a .d. Pr ak tik um sze it TRAD MBL MBS KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE74 KATEGORIE TRAD MBL MBS DF F P X 5,3 % 1,4 % 2,1 % (2;15) 7.16 .007 3P 23,6 % 20,1 % 18,2 % (2;15) 2.35 .130 LG 2,0 % 2,8 % 1,2 % (2;15) 1.31 .300 SL 2,7 % 2,5 % 3,0 % (2;15) .04 .962 MA 18,4 % 17,2 % 19,3 % (2;15) .72 .505 ME 46,9 % 33,4 % 36,6 % (2;15) 6.44 .010 DM 1,2 % 17,0 % 8,2 % (2;15) 64.62 .000 MB - - 6,0 % (2;3) 0.00 1.000 CMA - 5,9 % 5,2 % (2;9) .244 .632 Tabelle 9.1: Mittlere Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS (vgl. Abb. 9.1). Fett gedruckte Werte der Irrtums- wahrscheinlichkeit (p) zeigen statistisch signifikante Mittelwertunterschiede an. In Abbildung 9.1 wird der Grund für die in Tabelle 9.0 dargestellten Unterschiede in den Praktikumszeiten deutlich. Die längere Gesamtdauer computerunterstützter Prak- tikumsarbeit erklärt sich dadurch, dass bei Benutzung des Computers mehr Tätigkeiten ausgeübt werden als im traditionellen Fall. Man erkennt dies an den Anteilen der Kate- gorien DM, MB und CMA. Diese Tätigkeiten treten fast nur im computerunterstützten Praktikum auf. Computerspezifische Tätigkeiten Es gibt zwei Tätigkeiten, die nur bei computerunterstützter Praktikumsarbeit auftreten können: MB und CMA (vgl. Tab. 9.1). CMA bezeichnet computerspezifische Tätigkeiten. Im Schnitt werden dafür etwa 5% der Praktikumszeit benötigt, das entspricht etwa 10-20 Minuten. Es gibt verschiedene Akti- vitäten, die in diese Tätigkeitskategorie fallen. Einige davon sind grundsätzlich notwen- dig, etwa das Abspeichern aufgenommener Messwerte, das übersichtliche Anordnen der Symbole im STELLA-Modell, o.ä. Andere Aktivitäten sind dagegen vermeidbar. Das sind Probleme bei der Benutzung der Software - sie führen zu Zeitverlusten, dürften bei einer regelmäßigen oder häufigeren Programmbenutzung jedoch keine Rolle mehr spielen - und Formatierungen, wie etwa das Optimieren des farblichen Layouts von Graphen o.ä. MB bezeichnet die Modellbildung mit dem Programm STELLA. Diese Tätigkeit kann nur in der MBS-Gruppe auftreten. Im Schnitt werden 6% der Praktikumszeit auf die Mo- dellbildung verwandt, das sind zwischen 15 und 20 Minuten. So lange brauchen die Studierenden, um ein korrektes physikalisches Modell zum Experiment „„Anharmoni- sche Schwingungen““ zu erstellen. Es handelt sich dabei um ein relativ komplexes Mo- dell (siehe Anhang 1). Es ist daher überraschend, dass die Studierenden das Modell in so kurzer Zeit erstellen. Diese Beobachtung wurde schon in Kapitel 7-4 diskutiert. Dort ist von 20 bis 40 Minuten bis zur Fertigstellung des Modells die Rede. Der Unterschied erklärt sich dadurch, dass zwischen Phasen der eigentlichen Modellerstellung 9-2 ANALYSE DER TÄTIGKEITEN 75 (expressive mode) immer wieder Testsimulationen unter Veränderung von Parametern durchgeführt werden (exploratory mode), um zu überprüfen, ob das gewünschte Re- sultat schon erreicht ist. Diese beiden Anwendungsmoden werden mit dem Kategorie- system der Videoanalyse getrennt. Simulationsläufe werden analog zur Aufnahme von Messwerten behandelt und sind somit in der Kategorie ME enthalten. Einstellungen von Simulationsparametern werden analog zur Einstellung von Messbereichen behan- delt und sind somit in der Kategorie MA enthalten (siehe Kap. 8-2, S. 58). Durchführung von Auswertungen DM bezeichnet den Umgang mit bereits aufgenommenen Messwerten. Es handelt sich dabei um Auswertearbeiten, etwa die Umrechnung der Daten in eine bestimmte physi- kalische Größe, oder die graphische Darstellung von Zusammenhängen zwischen Da- tenreihen. Während die Tätigkeiten CMA und MB überhaupt nur bei computergestütz- ter Praktikumsarbeit auftreten können, kann die Tätigkeit DM auch im traditionellen Praktikum auftreten. Die Studierenden werden nicht an der Durchführung von Aus- wertungen in direktem Zusammenhang mit der Messung gehindert. Die Ergebnisse zei- gen, dass sie diese Möglichkeit aber praktisch nicht nutzen (Abb. 9.1). Das bedeutet, dass auch keinerlei Zwischenergebnisse berechnet oder Überschlagsrechnungen ge- macht werden, um zu überprüfen, ob die aufgenommenen Daten Ergebnisse liefern, die in etwa den Erwartungen entsprechen. Dies wäre im Falle des betrachteten Experi- ments durchaus sinnvoll, nämlich nach Messung der Parametergrößen (mit Hilfe der Parameterwerte wird später die theoretische Kurve von Amplitude bzw. Phase gegen Frequenz errechnet; mit dieser soll die gemessene Kurve verglichen werden; siehe Kap. 7-1). Die Praxis sieht in der Regel so aus, dass der Versuchsbetreuer oder die Betreuerin die aufgenommenen Messwerte überprüft. Liegen die Werte in der richtigen Größen- ordnung, fahren die Studierenden mit der nächsten Messung fort. Der hauptsächliche Grund für dieses Vorgehen im traditionellen Fall ist, dass eine di- rekte Auswertung der Messungen zu lange dauern würde. Zum Beispiel müsste die lineare Regression zur Errechnung der Dämpfungskonstanten „von Hand“ gemacht werden. Im computerunterstützten Fall kann diese Rechnung ohne bedeutenden Zeit- verlust sofort durchgeführt werden. Am Anteil der Tätigkeit DM in Abbildung 9.1 ist er- kennbar, dass die Vpn der „computergestützten“ Gruppen Auswertungen direkt im Zu- sammenhang mit den Messungen durchführen. Im Unterschied dazu finden im traditionellen Praktikum Versuchsdurchführung und Auswertung getrennt voneinander statt. Tabelle 9.1 zeigt für die Tätigkeit DM einen signifikanten Unterschied zwischen den drei Gruppen. Die Post-Hoc-Tests ergeben, dass neben den oben erläuterten Unter- schieden zwischen traditioneller und computergestützter Praktikumsarbeit auch zwi- schen den Gruppen MBL und MBS ein signifikanter Unterschied besteht (p<0.01). Während Vpn der MBL-Gruppe zwischen 35 und 50 Minuten (im Schnitt 16% der Praktikumszeit) mit der Auswertung der Messungen verbringen, sind es bei Vpn der MBS-Gruppe nur 20 bis 30 Minuten (im Schnitt etwa 8% der Praktikumszeit). Das liegt an der sehr langen Gesamt-Praktikumszeit beim Einsatz des Modellbildungssystems (vgl. Tab. 9.0). Die Erstellung des Modells, das Vorhersagen von Messwerten mit Hilfe KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE76 der Simulation, und die Untersuchung der Übereinstimmung zwischen Modell und Ex- periment sind zeitaufwendig. Nach Aufnahme der letzten Messwerte war es in der Re- gel gegen 17h abends. Alle anderen Studierenden hatten zu dieser Zeit die Praktikums- räume bereits verlassen. Deshalb führten die Vpn der MBS-Gruppe die Auswertearbeit nicht zu Ende. Hier wird deutlich, dass die zeitlichen und sozialen Rahmenbedingun- gen einen großen Einfluss auf den Ablauf der Praktikumsarbeit haben. Handlungsspielraum im Praktikum Tabelle 9.1 zeigt, dass für die Tätigkeit ME (Messen) ein signifikanter Unterschied zwi- schen den drei Gruppen besteht. Dieser Effekt kommt dadurch zustande, dass die Praktikumsarbeit im computerunterstützten Fall länger dauert als im traditionellen Fall, weil mehr verschiedene Tätigkeiten ausgeübt werden (s.o.). Die Tätigkeit ME hat dann einen geringeren prozentualen Anteil an der Gesamt-Praktikumszeit. Es ist darum hilfreich, auch die absoluten durchschnittlichen Messzeiten der drei Gruppen zu be- trachten. Sie sind in Abbildung 9.2 dargestellt. Dabei zeigt sich, dass die absolute Mess- zeit für die MBS-Gruppe am größten ist (Abb. 9.2, linke Hälfte). Das liegt daran, dass, wie oben beschrieben, bestimmte Aktivitäten bei der Benutzung des Modellbildungs- systems mit ME kodiert wurden. Lässt man den Beitrag dieser Aktivitäten außer Acht, so sind die Messzeiten aller drei Gruppen ungefähr gleich groß (Abb. 9.3, rechte Hälf- te). Abbildung 9.2: Durchschnittliche Messzeiten der Gruppen TRAD, MBL und MBS in Minu- ten, mit und ohne Einbeziehung der bei der Benutzung des Modellbildungssystems mit ME kodierten Aktivitäten. Das Ausführen von Simulationen mit dem Modellbildungssystem ist als Tätigkeit dem Ausführen von Messungen am realen Versuchsaufbau vergleichbar. Beide Aktivitäten werden daher mit ME kodiert. Auf kognitiver Ebene hat das Ausführen von Simulatio- nen mit dem Modellbildungssystem gegenüber dem Durchführen von Messungen am realen Versuchsaufbau allerdings eine andere Qualität (vgl. Kap. 8-2, S. 58). Bei der Analyse der Videos werden daher die mit diesen Tätigkeiten auftretenden Sprech- handlungen unterschiedlich kodiert. Damit ist es möglich, objektbezogene Handlungen (wie Messungen am Versuchsaufbau) von daten- oder symbolbezogenen Handlungen 0 20 40 60 80 100 ME ME ohne Modellbildungssystem Mi nu te n TRAD MBL MBS 9-2 ANALYSE DER TÄTIGKEITEN 77 (wie Simulationen oder Auswertearbeiten) zu trennen (vgl. Kap. 8-3, S. 62). Die bisher betrachteten Ergebnisse umfassen beide Arten von Handlungen. Zwar werden die kog- nitiven Aspekte der Praktikumsarbeit erst im nächsten Abschnitt besprochen. Da sich aus der beschriebenen Unterscheidung aber auch wichtige Ergebnisse bezüglich der Tätigkeiten bei der Praktikumsarbeit gewinnen lassen, wird sie an dieser Stelle bereits berücksichtigt. Abbildung 9.3 zeigt die prozentualen Anteile der Tätigkeiten an der Praktikumszeit, wenn nur solche Zeitschritte berücksichtigt werden, in denen die Sprechhandlungen sich auf reale Objekte beziehen. Man erkennt, dass sich dann die Anteile der verschie- denen Tätigkeiten für die drei Gruppen aneinander angleichen (zum Vergleich siehe Abb. 9.1, S. 73, wo alle Zeitschritte berücksichtigt sind). Unter anderem fallen die An- teile der Tätigkeiten DM, MB und CMA für die Computer-Gruppen weitgehend weg. Für die „traditionelle“ Gruppe dagegen ändert sich im Vergleich zu Abbildung 9.1 nichts. Abbildung 9.3: Mittlere Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit, wenn Zeitschritte, in denen die Sprechhandlungen sich auf Daten oder Symbole bezie- hen, unberücksichtigt bleiben (zum Vergleich siehe Abb. 9.1, S. 73). Dieses Ergebnis verdeutlicht zum einen die Auswirkungen des Computereinsatzes auf die Tätigkeiten der Studierenden im Praktikum. Im Vergleich zum traditionellen Prak- tikum werden im computergestützten Praktikum mehr Tätigkeiten ausgeübt. Bei diesen Tätigkeiten beziehen sich die Studierenden nicht auf reale Objekte, sondern auf Sym- bole oder Daten. Zum anderen gibt dieses Ergebnis einen Hinweis auf den Handlungsspielraum im tra- ditionellen Praktikum. Art und Dauer der verschiedenen Tätigkeiten der Praktikumsar- beit sind weitgehend festgelegt. Zum Beispiel verbringen alle Vpn etwa den gleichen Anteil der Praktikumszeit mit dem Aufnehmen von Messwerten oder mit dem Manipu- lieren des Versuchsaufbaus (Abb. 9.3). Sogar der Anteil der Tätigkeit 3P (Interaktion mit dem Betreuer) an der Praktikumszeit ist für alle Gruppen ungefähr gleich groß. Die Zahl der Freiheitsgrade der Handlung (siehe Kap. 4-2, S. 25) ist also gering. Lediglich die Abfolge der Tätigkeiten kann variiert werden. Das liegt an den detaillierten Hand- 0% 10% 20% 30% 40% 50% X 3P LG SL MA ME DM MB CMA Tätigkeiten An te il a .d. Pr ak tik um sze it TRAD MBL MBS KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE78 lungsvorschriften der Versuchsanleitung. Diese, sowie die engen zeitlichen Rahmenbe- dingungen der Praktikumsarbeit (3 h an einem Nachmittag der Woche), führen dazu, dass die Studierenden wenig Spielraum für Handlungsalternativen haben. Aus Abbildung 9.3 wird ferner deutlich, dass ME (Messen) die am häufigsten auftre- tende Tätigkeit im Praktikum ist, gefolgt von MA (Manipulieren) und 3P (Dritte Per- son). Der durchschnittliche Anteil der Tätigkeit ME an der Praktikumszeit beträgt 46%. Die Versuchsdurchführung besteht hier also hauptsächlich im Aufnehmen von Mess- werten. Durch den Computereinsatz wird keine Reduzierung der Messzeit erreicht (vgl. Abb. 9.2). Vor diesem Hintergrund ist es bemerkenswert, dass im Interview nach der Versuchs- durchführung alle Studierenden, die mit dem Computer gearbeitet haben, sich äußerst positiv zur computergestützten Messwerterfassung äußern. Alle betreffenden Studie- renden sind, obwohl sie den Versuch nicht ohne Computer durchgeführt haben, der Meinung, dass der Computer das Aufnehmen der Messwerte sehr vereinfacht. Vermut- lich nehmen die Studierenden ihre Erfahrungen aus anderen Experimenten des Anfän- gerpraktikums als Maßstab. In beinahe allen Versuchen sind langwierige Messreihen aufzunehmen. Die computergestützte Messwerterfassung stellt offenbar für die Studie- renden eine angenehme Abwechslung dar, die von ihnen positiv bewertet wird. Weitere Ergebnisse Die Anteile der Tätigkeiten LG (Versuchsanleitung) und SL (Schreiben/Lesen) an der Praktikumszeit sind sehr gering (Abb. 9.1 oder 9.3). SL bezeichnet das Übertragen bzw. Abschreiben von Messwerten, oder das Aufschreiben oder Vorlesen von Text. Diese Tä- tigkeit tritt während der Praktikumsarbeit nur sehr selten auf und spielt im Vergleich zu den anderen Tätigkeiten keine bedeutende Rolle. Der geringe Anteil der Tätigkeit LG an der Praktikumszeit kann daher rühren, dass die Studierenden meist nur einen kur- zen Blick in die Anleitung werfen, um eine bestimmte Information darin zu suchen. Wegen des Kodierungszeitschritts von 30 Sekunden wird dies in den meisten Fällen aber nicht als die hauptsächliche Tätigkeit in einem Beobachtungszeitraum kodiert. Es lässt sich somit aufgrund dieser Ergebnisse nur schwer beurteilen, inwieweit die Ver- suchsanleitung während der Durchführung des Experiments zum Einsatz kommt. Ein zunächst überraschendes Ergebnis ergibt sich bezüglich der Tätigkeit X (versuchs- fremde Aktivitäten). Damit sind Aktivitäten, die nichts mit der Durchführung des Praktikumsexperiments zu tun haben, bezeichnet. Im traditionellen Praktikum ist der Anteil dieser Kategorie an der Praktikumszeit deutlich höher als im computergestützten Praktikum (Abb. 9.1 bzw. 9.3). Die Post-Hoc-Tests zeigen, dass der signifikante p-Wert in Tabelle 9.1 (S. 74) auf Unterschiede zwischen der „traditionellen“ Gruppe und den „computergestützten“ Gruppen zurückzuführen ist (jeweils p<0.05 für die Unterschiede TRAD-MBL und TRAD-MBS). Dieses Ergebnis erklärt sich damit, dass Studierende, die den Versuch computerunter- stützt durchführen, die ganze Zeit mit dem Computer beschäftigt sind und sich kaum von ihrer Arbeit ablenken lassen. Im computerunterstützten Praktikumsversuch müs- sen die Werte für Amplitude und Phase sorgfältig im Schwingungsdiagramm auf dem 9-3 ANALYSE DER SPRECHHANDLUNGEN 79 Bildschirm ausgemessen werden (siehe Kap. 7-1). Nach Beendigung einer Messung muss dann die Programmoberfläche für die nächste Messung vorbereitet werden. Dies, sowie die Visualisierung der Schwingungen des Pendels, insbesondere der Einschwing- vorgänge, führt dazu, dass die Aufmerksamkeit der Studierenden beständig dem Com- puter zugewandt ist. Daran ändert auch die Aufgabenteilung zwischen den Studieren- den einer Arbeitsgruppe nichts. Da immer nur eine Vpn am Computer arbeiten kann, könnte man annehmen, dass die andere Vpn sich während dessen häufig mit anderen Dingen beschäftigt. Das ist, wie die Ergebnisse zeigen, nicht der Fall. Im traditionellen Praktikum dagegen wird die Amplitude direkt an der Winkelskala des Pohlschen Rades abgelesen, und die Phasenverschiebung wird am Zeitmessgerät digital angezeigt (siehe Kap. 7-1). Das Aufnehmen der Messwerte nimmt daher nur sehr kurze Zeit in Anspruch. Außerdem lassen sich die Einschwingvorgänge nicht oder nur müh- sam, durch Beobachtung des Schwungrades, verfolgen. Es entstehen daher Wartezei- ten, die für versuchsfremde Aktivitäten oder Unterhaltungen genutzt werden. Die im traditionellen Praktikum häufige Ablenkung der Vpn während der Aufnahme von Messwerten führt dazu, dass nahezu alle Studierenden den Amplitudensprung des Pendels bei der kritischen Frequenz nicht bemerken. Erst bei der Aufnahme des auf den Sprung folgenden Messwertes nehmen sie wahr, dass die Amplitude plötzlich viel klei- ner ist. Der entsprechende Frequenzbereich wird dann aber nicht wiederholt durchfah- ren, da dies zu langwierig wäre. Obwohl im computergestützten Praktikum die Studie- renden während der gesamten Praktikumszeit auf den Versuch konzentriert sind, passiert den Vpn der Gruppe MBL das Gleiche. Da sie durchgängig mit dem Ausmessen der Schwingungskurve am Computerbildschirm beschäftigt sind, beachten sie das Pohl- sche Rad nicht. Nur Vpn, die mit dem Modellbildungssystem arbeiten, achten im Bereich der kritischen Frequenz auf das Schwingungsverhalten des Pendels. Das liegt daran, dass diese Stu- dierenden vor Beginn der Messung das Experiment simulieren, um die kritische Fre- quenz vorherzusagen. Sie haben den Verlauf der Schwingungskurve bereits im Modell- bildungssystem beobachtet. Sie wissen daher, worauf zu achten ist und lenken ihre Aufmerksamkeit rechtzeitig auf den Versuchsaufbau. 9-3 ANALYSE DER SPRECHHANDLUNGEN In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse der Videoanalyse vorgestellt, die sich auf die Sprechhandlungen der Studierenden während der Praktikumsarbeit beziehen. Mit Kapitel 8 wird davon ausgegangen, dass dabei Aufschluss über die an der Handlungsre- gulation beteiligten kognitiven Strukturen der Studierenden gewonnen wird. Zunächst wird untersucht, in welchen Inhaltsbereichen die Studierenden während der Prakti- kumsarbeit argumentieren. Anschließend wird der physikalische Inhaltsbereich genau- er betrachtet. Es wird untersucht, auf welcher Komplexitätsebene die jeweilige Hand- lung reguliert wird (vgl. Kap. 4 u. 8). Damit kann Hypothese (1) überprüft werden. Alle Prozentangaben in diesem Abschnitt beziehen sich auf die Gesamtanzahl der Zeit- schritte, in denen Sprechhandlungen einer Vpn vorliegen. Zeitschritte, in denen keine KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE80 Sprechhandlungen auftreten, werden nicht berücksichtigt. Um eine einheitliche und verständliche Ergebnisdarstellung zu realisieren, werden aber die Ergebnisse auch weiterhin in Bezug auf die Praktikumszeit dargestellt. In Kapitel 8-1 (S. 56) wurde die Rolle einer ausreichenden Zahl von Zeitschritten mit Sprechhandlungen bereits disku- tiert. Danach wird davon ausgegangen, dass genügend Sprechhandlungen vorliegen (in 86% aller Zeitschritte), um zu gültigen Ergebnissen zu gelangen. In der Gruppe MBL befindet sich jedoch eine Vpn, die in nur 45% der Praktikumszeit Sprechhandlungen ausführt. Die Daten dieses Studenten werden für die Auswertung nicht berücksichtigt (vgl. Kap. 8-1). Die weiteren Ergebnisse beziehen sich also auf 6 Vpn in den Gruppen TRAD und MBS, und auf 5 Vpn in der Gruppe MBL. Anteile der Inhaltsbereiche Abbildung 9.4 zeigt, welche Inhaltsbereiche von den Sprechhandlungen der Studieren- den während der Praktikumsarbeit berührt werden. Abbildung 9.4: Mittlere Anteile der von den Sprechhandlungen der Studierenden berühr- ten Inhaltsbereiche an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS. X be- zeichnet versuchsfremde Inhalte. ‘Kein’ bedeutet, dass die Sprechhandlungen weder messbezogen noch physikbezogen sind. Die Summe der Anteile in einer Gruppe über- steigt 100%, weil eine Sprechhandlung sich auch gleichzeitig auf die beiden Inhaltsbe- reiche Messung und Physik beziehen kann (siehe Kap. 8; vgl. Tab. 9.4, nächste Seite) Danach beziehen sich die Studierenden in etwa 40% der Praktikumszeit auf keinen der Inhaltsbereiche Messung oder Physik. In dieser Zeit werden also Objekte manipuliert, Ereignisse beobachtet oder Handlungsprogramme ausgeführt, ohne dass die hand- lungsleitenden Kognitionen physikalische oder methodische Aspekte des Praktikum- sexperiments berühren (vgl. Kap. 8-3). Der zeitliche Anteil dieses Verhaltens an der Praktikumszeit ist für alle drei Gruppen ungefähr gleich groß. Das bedeutet, er ist vom Computereinsatz unabhängig. Das Verhalten ist also entweder auf das Thema des spe- ziellen Praktikumsversuchs oder auf die generellen Gestaltungsmerkmale des traditio- nellen Praktikums zurückzuführen. 0% 10% 20% 30% 40% 50% X Kein Messung Physik Inhaltsbereiche An te il a .d. Pr ak tik um sze it TRAD MBL MBS 9-3 ANALYSE DER SPRECHHANDLUNGEN 81 INHALTSBEREICH TRAD MBL MBS DF F P X 9,8 % 2,8 % 3,7 % (2;14) 77.20 .007 Kein 43,6 % 41,5 % 40,5 % (2;14) .70 .528 Messung 36,6 % 47,2 % 39,3 % (2;14) 4.55 .030 Physik 22,2 % 22,0 % 32,7 % (2;14) 10.38 .002 Mess.+Phys. 11,5% 13,6% 16,2% (2;14) 2.84 .092 Tabelle 9.4: Mittlere Anteile der von den Sprechhandlungen der Studierenden berührten Inhaltsbereiche an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS (vgl. Abb. 9.4). Der hohe Anteil dieser Kategorie an der Praktikumszeit deutet darauf hin, dass die Stu- dierenden sehr viele Routinetätigkeiten ausführen. Wie oben gezeigt, besteht die Prak- tikumsarbeit zum überwiegenden Teil aus den Tätigkeiten Manipulieren und Messen. Die hierzu erforderlichen Handgriffe werden bei der Aufnahme langer Messreihen schnell zur Gewohnheit. Es ist dabei, sofern keine Probleme auftreten, nicht notwendig oder sogar störend, sich mit physikalischen oder methodischen Aspekten des Experi- ments zu befassen. Das Praktikum ist eine Lernumgebung, die eigens dafür eingerichtet ist, dass die Stu- dierenden sich mit bestimmten (technischen, methodischen und physikalischen) In- halten auseinandersetzen. Nach den theoretischen Überlegungen in Kapitel 4 ist dies die Voraussetzung dafür, dass Wissenserwerb in den betreffenden Inhaltsbereichen stattfinden kann. Die Ergebnisse zeigen aber, dass in fast der Hälfte der Zeit, die die Studierenden im Praktikum verbringen, ihre handlungsleitenden Kognitionen keinen Bezug zu diesen Inhaltsbereichen haben. Offenbar entspricht, zumindest für dieses Ex- periment, die Gestaltung des traditionellen Praktikums nur teilweise den Zielen, die mit seiner Einrichtung verbunden werden. Ein Ausbildungsziel, das mit dieser Form des Praktikums erreicht werden kann, ist der Erwerb von Ausdauer und Geduld als nützli- che Eigenschaften eines Physikers. In etwa 40% der Praktikumszeit beziehen sich die Sprechhandlungen der Studierenden auf den Inhaltsbereich Messung (Abb. 9.4). Nach Kapitel 8 lässt sich dieser mit den Fragen „Wie gelangt man zu gültigen Messergebnissen?“ und „Wie werden die physika- lischen Größen gemessen?“ umschreiben. Die zweite Frage berührt auch den Inhaltsbe- reich Physik. Tabelle 9.4 zeigt, dass in nur etwa 10-15% der Praktikumszeit beide In- haltsbereiche gemeinsam berührt werden (aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dieser Wert nicht in Abb. 9.4 enthalten). Das bedeutet, dass der größere Teil der messbezoge- nen Sprechhandlungen sich auf die Frage „Wie gelangt man zu gültigen Messergebnis- sen?“ bezieht. Die Handlungsregulation ist also vor allem auf das Erlangen von Mess- werten und –ergebnissen ausgerichtet. Der messbezogene Inhaltsbereich hat offenbar eine wesentlich größere Bedeutung bei der Praktikumsarbeit als der physikalische Inhaltsbereich („Welche physikalischen Größen sind beteiligt?“ bzw. „Wie sind die physikalischen Zusammenhänge?“). Der KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE82 physikalische Inhaltsbereich wird im traditionellen Praktikum in nur rund 20% der Praktikumszeit berührt (Abb. 9.4). Tabelle 9.4 zeigt für die Inhaltsbereiche X, Messung und Physik signifikante Unter- schiede zwischen den drei Gruppen. Diese Unterschiede werden im Folgenden disku- tiert. Versuchsfremde Sprechhandlungen Die drei Gruppen unterscheiden sich signifikant bezüglich des Anteils versuchsfremder Sprechhandlungen (X) an der Praktikumszeit (Tab. 9.4). Die Post-Hoc-Tests zeigen, dass sowohl der Unterschied TRAD-MBL als auch der Unterschied TRAD-MBS signifi- kant ist (jeweils p<0.05). Die Gruppen MBL und MBS unterscheiden sich nicht signifi- kant. Dies entspricht dem Befund aus der Analyse der Tätigkeiten: Dort war der Anteil versuchsfremder Tätigkeiten bei traditioneller Praktikumsarbeit höher als bei compu- tergestützter Praktikumsarbeit. Im traditionellen Praktikum sprechen die Studierenden in nahezu 10% der Praktikums- zeit über Dinge, die nichts mit dem Versuch zu tun haben. Das ist ein sehr hoher Anteil, wenn man berücksichtigt, dass, wie oben geschildert, die Studierenden in der Regel bemüht sind, das Experiment möglichst in der vorgegebenen Zeit durchzuführen. Der Anteil versuchsfremder Tätigkeiten bei der Praktikumsarbeit (5% für die Gruppe TRAD; s.o., Abb. 9.1) kann diesen hohen Anteil versuchsfremder Sprechhandlungen nicht allein erklären. Abbildung 9.5: Verteilung der versuchsfremden Sprechhandlungen auf die einzelnen ä- tigkeiten. Es sind die Mittelwerte über alle 18 Vpn dargestellt. Abbildung 9.5 zeigt, wie die versuchsfremden Sprechhandlungen sich auf die verschie- denen Tätigkeiten verteilen. Es wird ersichtlich, dass neben der Tätigkeit X vor allem das Aufnehmen von Messwerten (ME) dazu führt, dass die Studierenden sich mit ver- suchsfremden Inhalten befassen. Dies deutet darauf hin, dass während des Messens vermutlich keine intensive Auseinandersetzung mit versuchspezifischen Inhalten statt- findet. Die im nächsten Abschnitt des Kapitels vorgestellten Ergebnisse zum Zusam- menhang zwischen Tätigkeiten und Sprechhandlungen werden diese Vermutung bestä- tigen. X 38%ME35% MA 3P 9-3 ANALYSE DER SPRECHHANDLUNGEN 83 Inhaltsbereich Messung Tabelle 9.4 zeigt für den Inhaltsbereich Messung einen signifikanten Unterschied zwi- schen den drei Gruppen. Die Post-Hoc-Tests ergeben, dass sich nur die Gruppen TRAD und MBL signifikant unterscheiden (p<0.05). Das bedeutet, dass Vpn, die computerge- stützte Messwerterfassung (jedoch kein Modellbildungssystem) benutzen, sich häufiger mit messbezogenen Inhalten befassen als die Vpn der anderen Gruppen. Dieses Ergeb- nis ist zunächst nicht plausibel. Auch die Vpn der MBS-Gruppe benutzen computerge- stützte Messwerterfassung. Deshalb müsste der Effekt, wenn er auf den Computerein- satz zurückzuführen wäre, auch bei diesen Vpn zu beobachten sein. Für diesen Befund kann an dieser Stelle noch keine Erklärung geliefert werden, da es hierzu einer genaue- ren Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Tätigkeiten und Sprechhandlungen bedarf (siehe Abschnitt 9-4). Inhaltsbereich Physik In diesem Inhaltsbereich ist der Anteil der Sprechhandlungen für die Gruppe MBS sig- nifikant höher als für die Gruppen TRAD und MBL (p<0.01). Die Gruppen TRAD und MBL unterscheiden sich nicht signifikant. Offenbar führt also der Einsatz des Modell- bildungssystems dazu, dass mehr Auseinandersetzungen mit physikalischen Inhalten stattfinden. Allerdings können noch keine Aussagen darüber gemacht werden, auf welcher Komple- xitätsebene die Handlung bezüglich des physikalischen Inhaltsbereiches reguliert wird. Nach Hypothese (1) hängen die bei der Handlungsregulation erbrachten kognitiven Leistungen der Studierenden von der Art der Lernumgebung ab (siehe S. 71). Um diese Hypothese zu überprüfen, werden die Analyseergebnisse für die Kategorie PP herange- zogen. Diese Kategorie bezeichnet Sprechhandlungen, bei denen physikalische Kon- zepte zueinander in Beziehung gesetzt werden (manipulating ideas). Sie zeigt an, dass die Handlungsregulation bezüglich des physikalischen Inhaltsbereiches auf der abs- trakten kognitiven Ebene stattfindet. Es wird dann (physikalisch-) theoriegeleitet ge- handelt (siehe Kap. 4-1, S. 23). Die Kategorie P dagegen zeigt an, dass physikalische Konzepte nur auf der deskriptiven Ebene zur Handlungsregulation benutzt werden. Abbildung 9.6 zeigt für die drei Gruppen die Anteile der mit diesen Kategorien kodier- ten Sprechhandlungen an der Praktikumszeit. Aus Abbildung 9.6 wird deutlich, dass nur in einem äußerst geringen Teil der Prakti- kumszeit die Handlungsregulation auf der abstrakten kognitiven Ebene stattfindet. Während des allergrößten Teils wird die Handlung auf der deskriptiven Ebene regu- liert. Für die Gruppen TRAD und MBL liegt der Anteil der abstrakten Ebene an der Praktikumszeit bei nur etwa 5%. Er ist damit nicht wesentlich höher als der Anteil ver- suchsfremder Sprechhandlungen (X), bei den Vpn der Gruppe TRAD sogar geringer (sic!). Vpn, die mit dem Modellbildungssystem arbeiten, schneiden deutlich besser ab. Tabelle 9.6 zeigt, dass bezüglich der abstrakten Ebene ein signifikanter Unterschied zu den beiden anderen Gruppen besteht. Die Post-Hoc-Tests bestätigen, dass sowohl der Unterschied TRAD-MBS als auch der Unterschied MBL-MBS statistisch signifikant ist (p<0.01). Dagegen unterscheiden sich die Gruppen TRAD und MBL nicht signifikant. KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE84 Abbildung 9.6: Mittlere Anteile der Kategorien P (deskriptive kognitive Ebene) und PP (abstrakte kognitive Ebene) an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS (vgl. Abb. 9.6). KATEGORIE TRAD MBL MBS DF F P P 16,5 % 17,0 % 21,2 % (2;14) 2.36 .131 PP 5,6 % 5,0 % 11,5 % (2;14) 15.57 .000 Tabelle 9.6: Mittlere Anteile der Kategorien P (deskriptive kognitive Ebene) und PP (abstrakte kognitive Ebene) an der Praktikumszeit für die Gruppen TRAD, MBL und MBS (siehe auch Abb. 9.6). Mit diesen Ergebnissen ist Hypothese (1a) bestätigt. Im traditionellen Praktikum findet die Handlungsregulation bezüglich physikalischer Inhalte auf der deskriptiven kogniti- ven Ebene statt. Auch Hypothese (1c) ist bestätigt. Verglichen mit den Gruppen TRAD und MBL findet in der Gruppe MBS die Handlungsregulation bezüglich physikalischer Inhalte häufiger auf der abstrakten kognitiven Ebene statt. Der Einsatz eines Modellbildungssystems fördert also die Auseinandersetzung mit der physikalischen Theorie des Praktikumsex- periments. Hypothese (1b) muss dagegen verworfen werden. Es kann nicht gezeigt werden, dass der Einsatz computergestützter Messwerterfassung die Auseinandersetzung mit der physikalischen Theorie des Experiments fördert. Die Handlungsregulation findet nicht häufiger auf der abstrakten Ebene statt als im traditionellen Praktikum. 9-4 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN TÄTIGKEITEN UND SPRECHHANDLUNGEN Die im letzten Abschnitt dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf die gesamte Prakti- kumszeit. Damit sind nur eingeschränkt Aussagen über die Ursachen der nachgewiese- nen Effekte möglich. In diesem Abschnitt wird genauer untersucht, woher die in den ersten beiden Abschnitten beschriebenen Unterschiede zwischen den drei Gruppen 16,5% 17,0% 21,4% 5,6% 5,0% 11,6% 0% 10% 20% 30% TRAD MBL MBS An tei l a .d. Pr ak tik um sze it abstrakte Ebene deskriptive Ebene 9-4 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN TÄTIGKEITEN UND SPRECHHANDLUNGEN 85 TRAD, MBL und MBS stammen. Die Ergebnisse der Tätigkeitsanalyse einerseits und der Analyse der Sprechhandlungen andererseits wurden bisher getrennt betrachtet. Nun werden beide Kategoriesysteme zeitbezogen miteinander verknüpft. Wie in Kapitel 8-1 (S. 54) dargestellt gehört zu einer Kodierung mit Kategoriesystem A (Tätigkeiten) jeweils eine Kodierung mit Kategoriesystem B (Sprechhandlungen). So können Aussa- gen darüber gemacht werden, bei welchen Tätigkeiten welche Inhaltsbereiche von den Sprechhandlungen der Studierenden berührt werden, und auf welcher (physikbezoge- nen) kognitiven Ebene die Handlungsregulation dabei stattfindet. Es wird also unter- sucht, welche Tätigkeiten während der Praktikumsarbeit bestimmte kognitive Leistun- gen fördern. Hierzu wird eine Größe berechnet, die im Folgenden als Dichte einer Verbalkategorie bezeichnet wird. Verbalkategorien sind die fünf zur Erfassung der Sprechhandlungen benutzten Kategorien. Die Dichte einer Verbalkategorie ist der Quotient aus der Anzahl der Sprechhandlungen dieser Kategorie, die zusammen mit einer bestimmten Tätigkeit auftreten, und der Gesamtanzahl der mit der entsprechenden Tätigkeitskategorie ko- dierten Zeitschritte. Wird das Zutreffen einer bestimmten Kategorie zu einem gegebe- nen Zeitpunkt mit 1 kodiert, so ist die Dichte einer Verbalkategorie bezüglich einer Tä- tigkeitskategorie durch Formel 9.1 gegeben. Diese Größe hat den Vorteil, dass sie von der Gesamtdauer der Praktikumsarbeit einer Vpn und von den Zeiten, die eine Vpn mit den einzelnen Tätigkeiten verbringt, unabhängig ist. Formel 9.1: Dichte einer bestimmten Art von Sprechhandlungen (Kategorie Ki) bezüglich einer bestimmten Tätigkeit (Kategorie Kj), wenn das Zutreffen einer Kategorie mit 1 kodiert wird. Bei der Untersuchung der Dichten werden die Tätigkeiten LG (Versuchsanleitung) und SL (Schreiben/Lesen) nicht mehr berücksichtigt. Die Tätigkeit SL spielt im Vergleich zu den übrigen Tätigkeiten keine bedeutende Rolle bei der Praktikumsarbeit (s.o.). Bezüg- lich der Verwendung der Versuchsanleitung (LG) lassen sich, wie oben begründet, kei- ne zuverlässigen Aussagen machen. Des Weiteren bleiben die Tätigkeiten X (versuchs- fremde Aktivitäten) und CMA (softwarespezifische Aktivitäten) unberücksichtigt, da während dieser Tätigkeiten keine inhaltlich relevanten Sprechhandlungen vorkommen können. Für die Gruppe TRAD werden außerdem keine Angaben bezüglich der Tätig- keit DM (Auswertungen) gemacht. Wie oben gezeigt, ist diese Tätigkeit im traditionel- len Praktikum sehr selten. Darum erlauben die Analyseergebnisse hier keine verlässli- chen Aussagen. Das gilt nicht für das computergestützte Praktikum, da dort die Tätigkeit DM sehr häufig auftritt (s.o.). Inhaltsbereich Messung Abbildung 9.7 zeigt für die drei Gruppen TRAD, MBL und MBS die Dichte messbezoge- ner Sprechhandlungen bezüglich der verschiedenen Tätigkeiten. )( )()( j ji Ki KN KKNKDichte j  KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE86 Abbildung 9.7: Mittlere Dichten messbezogener Sprechhandlungen der Vpn der Gruppen TRAD, MBL und MBS bezüglich der verschiedenen Tätigkeiten (vgl. Tab. 9.7). KATEGORIE TRAD MBL MBS DF F P 3P 43,0 % 60,8 % 56,2 % (2;14) 4.424 .032 MA 43,6 % 52,7 % 43,0 % (2;14) 1.921 .183 ME 30,7 % 37,0 % 39,4 % (2;14) 1.945 .180 DM - 56,8 % 52,5 % (2;8) .856 .460 MB - - 4,8 % (2;3) .00 1.000 Tabelle 9.7: Mittlere Dichten messbezogener Sprechhandlungen der Vpn der Gruppen TRAD, MBL und MBS bezüglich der verschiedenen Tätigkeiten (vgl. Abb. 9.7). Bezüglich der Tätigkeiten 3P, MA und DM haben messbezogene Sprechhandlungen eine Dichte von über 40%. Das bedeutet, dass in über 40% der Zeit, in der eine dieser Tätigkeiten ausgeübt wird, messbezogene Sprechhandlungen auftreten. Beim Messen (ME) ist die Dichte etwas geringer (rund 35%), und während der Modellbildung (MB) treten messbezogene Sprechhandlungen fast gar nicht auf. Das bedeutet, dass das Mo- dellbildungssystem ein Werkzeug zur Gestaltung des Praktikums ist, das ausschließlich auf eine Beschäftigung physikalischen Inhalten zielt. Tabelle 9.7 zeigt nur für die Tätigkeit 3P einen signifikanten Unterschied zwischen den drei Gruppen. Abb. 9.7 zeigt, dass für diese Tätigkeit der Dichtewert bei den Vpn der „computergestützten“ Gruppen höher liegt als bei den Vpn der „traditionellen“ Gruppe. Ein möglicher Grund für einen Unterschied zwischen traditioneller und computerge- stützter Praktikumsarbeit könnte darin liegen, dass die Vpn im computergestützten Praktikum zusätzliche Tätigkeiten wie Datenauswertungen, Simulationen, etc. ausüben. Dabei kommt es auch zu Interaktionen mit dem Betreuer, welche die Dichte messbezo- gener Sprechhandlungen bezüglich der Tätigkeit 3P erhöhen könnten. Dieser Effekt müsste sich bei beiden Gruppen, MBL und MBS, beobachten lassen. Die Post-Hoc- Tests zeigen jedoch, dass sich nur die Dichten der Gruppen TRAD und MBL signifikant unterscheiden (p<0.05). Der Befund ist daher nicht eindeutig. 0% 20% 40% 60% 3P MA ME DM MB Tätigkeiten Dic ht e I nh alt sb er. M es su ng TRAD MBL MBS 9-4 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN TÄTIGKEITEN UND SPRECHHANDLUNGEN 87 Auch weiter oben (S. 81 bzw. Abb. 9.4, S. 80) trat bereits ein signifikanter Effekt bezüg- lich des Inhaltsbereichs Messung auf, der sich nicht mit dem Computereinsatz erklären ließ: Über die gesamte Praktikumszeit gesehen treten bei den Vpn der Gruppe TRAD signifikant mehr messbezogene Sprechhandlungen auf als für die Vpn der „computer- gestützten“ Gruppen. Mit den Ergebnissen in Abb. 9.7 kann dieser Befund erklärt wer- den. Dort haben die Vpn der MBL-Gruppe bezüglich aller Tätigkeiten außer ME ge- ringfügig höhere Dichten messbezogener Sprechhandlungen. Zwar ist keiner dieser Unterschiede (außer dem eben angesprochen bezüglich der Tätigkeit 3P) signifikant, ü- ber die gesamte Praktikumszeit führen diese Unterschiede aber zu dem in Abb. 9.4 be- obachteten Effekt. Es lässt sich nicht eindeutig klären, wodurch die beobachteten Unterschiede zwischen den Gruppen TRAD und MBL bezüglich des Inhaltsbereichs Messung verursacht wer- den. Möglicherweise sind Beobachtungsfehler die Ursache. In Kapitel 8 war das Kodie- ren der Kategorie M die größte Fehlerquelle bei der Beobachterübereinstimmung. Al- lerdings ist auffällig, dass systematisch über alle Tätigkeiten hinweg mehr messbezogene Sprechhandlungen bei den Vpn der MBL-Gruppe auftreten als bei den anderen Vpn. Dies spricht gegen einen Beobachtungsfehler. Eine andere mögliche Er- klärung wären daher Unterschiede im Vorwissen der Vpn. Dies müsste sich anhand der Begriffsnetze überprüfen lassen. Darum werden die hier diskutierten Befunde an späte- rer Stelle nochmals aufgegriffen (siehe Kap. 11-2 bzw. 11-3). Inhaltsbereich Physik Um zu untersuchen, welche Tätigkeiten im Praktikum die Anwendung physikalisch- theoretischen Wissens fördern, werden die Dichten der abstrakten kognitiven Ebene betrachtet (Kategorie PP, s.o.). Sie sind in Abbildung 9.8 dargestellt. Abbildung 9.8: Mittlere Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten kognitiven Ebene der Vpn der drei Gruppen TRAD, MBL und MBS bezüglich der verschie- denen Tätigkeiten (vgl. Tab. 9.8). 0% 20% 40% 60% 3P MA ME DM MB Tätigkeiten Dic ht e a bs tra kte Eb en e ( PP ) TRAD MBL MBS KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE88 KATEGORIE TRAD MBL MBS DF F P 3P 20,5 % 12,9 % 20,7 % (2;14) 1.33 .295 MA 3,6 % 2,2 % 2,2 % (2;14) 1.35 .290 ME 1,5 % 1,0 % 3,7 % (2;14) 4.28 .068 DM - 6,3 % 12,6 % (2;8) 2.47 .146 MB - - 67,8 % (2;3) .00 1.000 Tabelle 9.8: Mittlere Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten kognitiven Ebene der Vpn der Gruppen TRAD, MBL und MBS bezüglich der verschiedenen Tätigkeiten (vgl. Abb. 9.8). Man erkennt, dass die Dichte der theoriebezogenen Sprechhandlungen weniger homo- gen über die Tätigkeiten verteilt ist als die der messbezogenen Sprechhandlungen (Abb. 9.7). Es gibt einen deutlichen Unterschied zwischen den Tätigkeiten MA, ME und DM einerseits - hier liegt die Dichte kaum über 10% - und den Tätigkeiten 3P und MB ande- rerseits. Diese Tätigkeiten scheinen wesentlich förderlicher für die Auseinandersetzung mit physikalischen Inhalten zu sein. Dies gilt insbesondere für die Modellbildung (MB). Hier beträgt die Dichte physikbezogener Sprechhandlungen fast 70%. Das bedeutet, dass sich die Sprechhandlungen der Studierenden während eines Großteils der Zeit, in der sie am Computermodell arbeiten, auf physikalische Zusammenhänge beziehen. Die Höhe dieses Dichtewertes ist nicht überraschend, da eine Modellerstellung mit STELLA gar nicht möglich ist, ohne sich mit der physikalischen Theorie des Versuchs zu be- schäftigen. Die Ergebnisse belegen jedoch, dass die Modellbildung die einzige Tätigkeit im Praktikum ist, die (physikalisch-) theoriegeleitetes Handeln deutlich voraussetzt. Sie zeigen außerdem, dass der höhere Anteil physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten Ebene an der gesamten Praktikumszeit für die Gruppe MBS (siehe Abb. 9.6, S. 84) sich fast ausschließlich auf die Tätigkeit der Modellbildung zurückführen lässt. Um die Ergebnisse besser einschätzen zu können, ist es hilfreich, ähnlich wie schon in Abschnitt 9-1 (vgl. Abb. 9.3, S. 77), auch die auf objektbezogene Sprechhandlungen re- duzierten Dichtewerte zu betrachten. Sie sind in Abbildung 9.9 dargestellt. Dabei wer- den Zeitschritte mit Sprechhandlungen, die sich nicht auf reale Objekte, sondern auf Daten oder Symbole beziehen, nicht berücksichtigt. Wie oben gezeigt, bedeutet dies, dass Tätigkeiten, die im Zusammenhang mit dem Computereinsatz stehen, nicht be- rücksichtigt werden. Man erkennt, dass in Abbildung 9.9 gegenüber der die gesamte Praktikumszeit umfas- senden Darstellung (Abb. 9.8) die Dichten bezüglich der Tätigkeiten DM und MB sehr klein sind. Außerdem werden die Dichtewerte der Gruppe MBS auch bezüglich der Tä- tigkeit 3P (Dritte Person) kleiner. Das liegt daran, dass bei dieser Darstellung die Inter- aktionen mit dem Betreuer wegfallen, die sich auf die Benutzung des Modellbildungs- systems beziehen. 9-4 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN TÄTIGKEITEN UND SPRECHHANDLUNGEN 89 Abbildung 9.9: Mittlere Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten kognitiven Ebene, wenn Zeitschritte, in denen die Sprechhandlungen sich auf Daten o- der Symbole beziehen, unberücksichtigt bleiben (zum Vergleich siehe Abb. 9.8). Der Vergleich der Abbildungen 9.8 und 9.9 zeigt, dass, abgesehen von der Tätigkeit 3P, mit der Entfernung des Computers aus dem Praktikum auch jeder Anreiz für die Stu- dierenden entfällt, während der Praktikumsarbeit physikalisch-theoretisches Wissen anzuwenden. Damit sind, obwohl Tabelle 9.8 keine signifikanten Unterschiede zwi- schen den drei Gruppen zeigt, drei wesentliche Ergebnisse festzuhalten:  Unter den im traditionellen Praktikum auftretenden Tätigkeiten (3P, MA, ME) ist allein die Interaktion mit dem Betreuer Anlass für das Auftreten physikbezogener Sprechhandlungen in der Kategorie PP. Dagegen leisten die beiden Tätigkeiten, mit denen die weitaus meiste Zeit im Praktikum verbracht wird (MA und ME) praktisch keinen Beitrag zur Förderung physikbezogener Sprechhandlungen. Dies führt dazu, dass die Handlungsregulation im Praktikum größtenteils auf der deskriptiven kog- nitiven Ebene stattfindet (s.o.; Hypothese 1a). Nach den Ergebnissen in Abb. 9.8 ist die einzige Möglichkeit, dies zu ändern, ohne die Lernumgebung grundsätzlich um- zugestalten oder den Computer einzusetzen, eine gezielte und intensive Betreuung. Der nicht sehr hohe Theorie-Dichtewert bezüglich der Tätigkeit 3P von etwa 20%, in dem auch das vor Beginn des Experiments mit den Studierenden durchgeführte Kolloquium enthalten ist (siehe Kap. 6-1), weist daraufhin, dass sich der größte Teil der Interaktionen zwischen Studierenden und Betreuer auf technische oder metho- dische Aspekte des Experiments bezieht. Offenbar lässt sich die Betreuung der Praktikumsarbeit im Hinblick auf die Beschäftigung mit der physikalischen Theorie des Experiments noch verbessern.  Auch der Einsatz des Computers zur Messwerterfassung ändert an dieser Situation nichts. Die Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten Ebene bezüglich der Aktivitäten 3P, MA und ME erhöhen sich dadurch nicht. Jedoch er- möglicht die computergestützte Messwerterfassung Auswertungen in direktem Zu- sammenhang mit den Messungen. Diese Tätigkeit (DM) kann die Handlungsregula- tion auf der abstrakten Ebene fördern. Allerdings sind die Dichtewerte bezüglich der 0% 20% 40% 60% 80% 3P MA ME DM MB Tätigkeiten Dic ht e TRAD MBL MBS KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE90 Tätigkeit DM überraschend gering, sie liegen unter 10%. Auf diesen Befund wird weiter unten, im Zusammenhang mit der Analyse der Videoaufzeichnungen der Versuchsauswertung, näher eingegangen.  Der Computer kann einen bedeutenden Beitrag leisten, um die Handlungsregulati- on auf der abstrakten kognitiven Ebene zu fördern und damit die Voraussetzungen für Physiklernen im Praktikum zu verbessern. Allerdings gelingt dies nur dann, wenn er über die reine Messwerterfassung hinaus zur Modellbildung genutzt wird. Die Vpn der MBS-Gruppe führen auch Simulationen durch. Abbildung 9.9 zeigt je- doch, dass die mit der Simulation verbundenen Aktivitäten, die in den Tätigkeiten MA und ME enthalten sind, die Handlungsregulation auf der abstrakten kognitiven Ebene nicht ersichtlich fördern. Nach Kapitel 3-3 lassen sich Simulationen durch- führen, ohne dass eine Auseinandersetzung mit physikalischen Zusammenhängen stattfinden muss. Dies trifft auch bei diesem Praktikumsversuch zu. Ist das Modell zu Versuch II einmal fertiggestellt, so geht es in der Folge darum, die Frequenz, bei der der Amplitudensprung stattfindet, möglichst genau vorherzusagen. Hierfür werden zahlreiche Simulationen durchgeführt, wobei jedes Mal die Frequenzberei- che etwas verändert werden. Dies ist eine Routinearbeit, ähnlich dem Aufnehmen von Messwerten, zu der es geringer kognitiver Leistung bedarf. Weitere Ergebnisse Bereits in Abschnitt 9-2 (S. 79) wurde eine Beobachtung geschildert, die sich nicht di- rekt in den Ergebnissen der Videoanalyse erkennen lässt, diese aber ergänzt. Dort wur- de beschrieben, dass die Vpn der Gruppen TRAD und MBL den Amplitudensprung des Pendels bei der kritischen Frequenz nicht bemerken. Nur Vpn, die mit dem Modellbil- dungssystem arbeiten, achten im Bereich der kritischen Frequenz auf das Schwin- gungsverhalten des Pendels, da sie das Experiment simulieren, um die kritische Fre- quenz vorherzusagen. Der Simulation kommt also, obwohl sie, wie oben gezeigt, nicht die Auseinandersetzung mit physikalischer Theorie fördert, eine wichtige Rolle bei der Praktikumsarbeit zu: Sie hilft den Studierenden, ihre Absichten zu konkretisieren und ihre Handlungen an den damit verbundenen Zielen auszurichten. Eine weitere Beobachtung betrifft den Computereinsatz zur Messwerterfassung. Wie oben gezeigt, wird, über die gesamte Praktikumszeit betrachtet, die Handlungsregulati- on auf der abstrakten kognitiven Ebene durch die automatische Messwerterfassung nicht gefördert (Abschnitt 9-3). Dennoch kann in einigen Szenen der Videoaufzeich- nungen beobachtet werden, dass die computerunterstützte Anordnung durch die Visu- alisierung der Schwingungsvorgänge Anknüpfpunkte für physikbezogene Diskussionen bietet. Beispielsweise können die Studierenden beim Einstellen der Sprungfrequenz der nichtlinearen Schwingung die Entwicklung der Phase von kleinen zu großen Phasenver- schiebungen am Computerbildschirm verfolgen (siehe Kap. 7-1). In einem Fall führt dies dazu, dass die betreffenden Studierenden über das Verhältnis von Amplitude und Phase diskutieren. Im traditionellen Setting ist dieser Anknüpfpunkt nicht gegeben, da die Phasenwerte am digitalen Zeitmessgerät abgelesen werden. In einem weiteren Fall kommt es bei der Betrachtung der Einschwingvorgänge auf dem Computerbildschirm zu einer Diskussion über Oberschwingungen. Es handelt sich um eine Fehlvorstellung 9-5 ERGEBNISSE ZUR VERSUCHSAUSWERTUNG 91 des betreffenden Studenten, der die Schwankungen der Amplitude während des Ein- schwingvorgangs für Oberschwingungen hält. Die Visualisierung der Einschwingvor- gänge kann als Anknüpfpunkt dienen, um die Problematik anzusprechen und Fehlvor- stellungen auszuräumen. In der vorliegenden Untersuchung findet der Computereinsatz im Kontext des traditio- nellen Praktikums statt. Dies begründet sich mit dem Untersuchungsdesign: Alle Rah- menbedingungen (Zeitrahmen, Anleitung, Betreuung, usw.) wurden konstant gehalten, um Unterschiede in der Handlungsregulation und im Wissenserwerb zwischen den Gruppen auf den Computereinsatz zurückführen zu können (vgl. Kap. 6-3). Wie eben beschrieben lassen sich beim Einsatz computergestützter Messwerterfassung durchaus Ereignisse beobachten, die den in Kapitel 3-2 dargestellten positiven Befunden zu MBLs entsprechen. Es handelt sich aber nur um einzelne Ereignisse, die im Kontext des traditionellen Praktikums nicht zur Geltung kommen. Die Studierenden befassen sich, wie weiter oben gezeigt, im Praktikum hauptsächlich mit dem Aufnehmen von Mess- werten. Sie profitieren daher nicht so, wie es möglich wäre von den Möglichkeiten des Computers, da sie andere Ziele verfolgen. Demnach macht ein Computereinsatz vor al- lem dann Sinn, wenn auch die Rahmenbedingungen des Praktikums (Zeitrahmen, An- leitung, Betreuung, usw.) verändert werden. 9-5 ERGEBNISSE ZUR VERSUCHSAUSWERTUNG In diesem Abschnitt werden die Analyseergebnisse zur Versuchsauswertung dargestellt. Wie die bisherigen Ergebnisse beziehen sie sich auf Versuch II. Wie in Kapitel 6 be- schrieben, führten die Vpn die Versuchsauswertung, sofern sie nicht bereits im Zu- sammenhang mit den Messungen im Praktikum stattgefunden hatte, an einem der auf die Versuchsdurchführung folgenden Tage durch. Die Vpn hatten hierzu einen mit PC ausgestatteten Arbeitsplatz zur Verfügung. Es war ihnen freigestellt, den PC zur Aus- wertung zu nutzen oder nicht. Fast alle Vpn, auch die der „traditionellen“ Gruppe, machten davon Gebrauch. Die von den Vpn mit diesen Auswertearbeiten verbrachte Zeit wird im Folgenden - analog zur Praktikumszeit - als Auswertezeit bezeichnet. Bei der Versuchsauswertung werden andere Tätigkeiten als bei der Versuchsdurchfüh- rung ausgeübt. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um Rechen- und Schreibarbei- ten. Den Videoaufzeichnungen der am Schreibtisch arbeitenden Vpn lässt sich nicht eindeutig entnehmen, welche Tätigkeit zu einem gegebenen Zeitpunkt ausgeübt wird. Aus diesem Grund werden nur Sprechhandlungen kodiert. Dazu werden die gleichen Kategorien benutzt wie bei der Analyse der Versuchsdurchführung. Insgesamt wurden nur drei Videoaufzeichnungen von Versuchsauswertungen analy- siert (vgl. Kap. 8-4). Dafür gibt es zwei Gründe. Zum einen ließen sich die Rahmenbe- dingungen der Videoaufzeichnungen nur schwer kontrollieren. Unter anderem gab es häufig Terminprobleme, da die Auswertungen sehr lange dauern. Von kaum einer Vpn- Gruppe konnte daher die komplette Datenauswertung einschließlich Protokollerstel- lung auf Video aufgezeichnet werden (vgl. Kap. 7-3). Zum anderen zeigte sich, dass durch eine komplette Analyse aller Aufzeichnungen keine Ergebnisse gewonnen wer- KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE92 den, die über die aus der Analyse der Versuchsdurchführung gewonnenen Ergebnisse hinausgehen. Zum Ablauf der Auswertung Auch bei den drei analysierten Videoaufzeichnungen gibt es erhebliche Unterschiede im Zeitrahmen und in den Inhalten der Auswertearbeit der Vpn. Die erste der beobachteten Zweiergruppen (TRAD) verbringt ca. 3h mit der Auswer- tung. Diese Vpn führen die komplette Datenauswertung nach der Versuchsdurchfüh- rung durch, da sie bei der Versuchsdurchführung keinen Computer zur Verfügung ha- ben. Jedoch hat eine der beiden Vpn das Versuchsprotokoll bereits vor der Praktikumsarbeit erstellt und nur den Teil für die Messergebnisse noch weg gelassen. Diese Arbeitsteilung entspricht durchaus dem üblichen Vorgehen. Eine Auseinander- setzung mit dem Experiment, über die Versuchsdurchführung hinaus, findet also nicht bei allen Vpn statt. Das zeigt sich auch bei der zweiten Zweiergruppe (MBL). Sie beendet die Auswertear- beit nach ca. 50 Minuten, nach Durchführung der Fehlerrechnung, mit der Bemerkung: „Was sollen wir noch hier?“ Diese Vpn haben, da sie mit computergestützter Messwert- erfassung arbeiten, einen großen Teil der Auswertung bereits im Zusammenhang mit den Messungen erledigt. Das eigentliche Protokoll wird dann wiederum von einer der beiden Vpn zu Hause erstellt. Die dritte Zweiergruppe (MBS) verbringt ca. 3,5 h mit der Auswertung. Auch diese Vpn haben bereits einen Teil der Auswertungen im Zusammenhang mit den Messungen er- ledigt. Trotzdem nehmen sie sich wesentlich mehr Zeit für die Nacharbeitung des Expe- riments als die zweite der beobachteten Gruppen. Sie schreiben während der Auswerte- zeit auch am Protokoll. Wie bei der ersten Gruppe ist dieses jedoch bereits vor der Versuchsdurchführung erstellt worden und wird nur noch um den Ergebnisteil ergänzt. Analyseergebnis Mit der Analyse der Videoaufzeichnungen der Versuchsdurchführung soll untersucht werden, ob die Studierenden bei der Auswertung ihre Handlung häufiger auf der abs- trakten kognitiven Ebene (physikalisch-theoriegeleitet) regulieren, als während der Versuchsdurchführung. Aufgrund der kleinen Stichprobengröße (N=2 pro Gruppe) werden die Ergebnisse nicht varianzanalytisch ausgewertet. Da eine Unterscheidung zwischen den Gruppen TRAD, MBL und MBS zu keinen aussagefähigen Ergebnissen führt, werden die Mittelwerte über alle sechs beobachteten Vpn gebildet. 9-5 ERGEBNISSE ZUR VERSUCHSAUSWERTUNG 93 Abbildung 9.10: Mittlere Anteile der Kategorien P (deskriptive kognitive Ebene) und PP (abstrakte kognitive Ebene) an der Auswertezeit. Es sind die Mittelwerte über die sechs bei der Versuchsauswertung beobachteten Vpn dargestellt. Abbildung 9.10 stellt, analog zu Abbildung 9.6, die Anteile physikbezogener Sprech- handlungen auf den beiden Komplexitätsniveaus an der Auswertezeit dar. Es wird deutlich, dass auch bei der Versuchsauswertung die Handlungsregulation nur sehr sel- ten (in weniger als 5% der Auswertezeit) auf der abstrakten kognitiven Ebene stattfin- det. Dies bestätigt das schon im Zusammenhang mit der Analyse der Versuchsdurch- führung erhaltene Ergebnis bezüglich der Tätigkeit DM (Auswertearbeiten). Dort wurde deutlich, dass diese Tätigkeit die Handlungsregulation auf der abstrakten Ebene nicht in besonderem Maße fördert (siehe S. 89). Dies widerspricht den Erwartungen. Von Hochschullehrern wird davon ausgegangen, dass sich die Studierenden spätestens bei der Versuchsauswertung mit der physikalischen Theorie des Experiments ausei- nandersetzen. Träfe die Annahme zu, müsste ein deutlich höherer Anteil theoriebezo- gener Sprechhandlungen beobachtet werden. Der Befund lässt sich erklären, wenn man davon ausgeht, dass die Studierenden wäh- rend der Versuchsauswertung vor allem Fehlerrechnungen durchführen und die er- wünschten Endergebnisse berechnen. Dank der detaillierten Versuchsanleitung ist hierzu eine Auseinandersetzung mit der physikalischen Theorie des Experiments nicht notwendig. Die benötigten Formeln sind vorgegeben und müssen nur umgeformt wer- den. Auch die Beobachtung, dass der physikalisch-theoretische Teil des Versuchsproto- kolls häufig bereits vor der Durchführung des Experiments fertiggestellt wird, macht das Analyseergebnis plausibel. Ob sich die Studierenden mit der physikalischen Theorie des Experiments befassen hängt also offenbar vor allem von der Bereitschaft der Stu- dierenden ab, sich über die vorgeschriebene Praktikumsarbeit hinaus, z. B. bei der Vor- bereitung auf den Versuch, zu engagieren. 15,6% 4,7% 0% 10% 20% 30% 1 An tei l a .d. Pr ak tik um sze it abstrakte Ebene deskriptive Ebene KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE94 9-6 ERGEBNISSE ZU VERSUCH I Die bisher vorgestellten Ergebnisse beziehen sich auf ein einzelnes Praktikumsexperi- ment („Anharmonische Schwingungen“). Da in der Untersuchung zwei Treatment- Experimente eingesetzt werden, ist es möglich, diese Ergebnisse an einem weiteren Versuch zu überprüfen. Bestätigen sich die Befunde, ist dies ein Hinweis darauf, dass die Ergebnisse über ein spezielles Praktikumsexperiment hinaus Gültigkeit haben. Die folgenden Ergebnisse beziehen sich auf Versuch I („Relaxationsverhalten eines RC- Kreises“). Wegen des hohen Zeitaufwands der Analyse wurden nicht alle Videoauf- zeichnungen analysiert. Es erfolgte eine Beschränkung auf sechs Studierende, zwei (ei- ne Zweiergruppe) aus jeder der Gruppen TRAD, MBL und MBS. Die Vpn wurden zufäl- lig ausgewählt. In diesem Abschnitt werden die gleichen Ergebnisgraphen betrachtet wie zu Versuch II. Wegen der kleinen Stichprobengrößen (N=2 pro Gruppe) werden die Ergebnisse aber nicht varianzanalytisch untersucht. Analyse der Tätigkeiten Abbildung 9.11 zeigt, analog zu Abbildung 9.1, die Anteile der verschiedenen Tätigkei- ten an der Praktikumszeit. Abbildung 9.11: Mittlere Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit von Versuch I. Die folgenden - oben bereits diskutierten - Ergebnisse der Analyse von Versuch II fin- den sich in Abbildung 9.11 wieder:  Die Vpn der Gruppen MBL und MBS führen, im Gegensatz zu den Vpn der Gruppe TRAD, Auswertungen in direktem Zusammenhang mit den Messungen durch (Tä- tigkeit DM).  Von den Vpn der „computergestützten“ Gruppen werden etwa 5% der Praktikums- zeit für die Tätigkeit CMA (softwarespezifische Aktivitäten) benötigt. 0% 10% 20% 30% 40% 50% X 3P LG SL MA ME DM MB CMA Tätigkeiten An te il a .d. Pr ak tik um sze it TRAD MBL MBS 9-6 ERGEBNISSE ZU VERSUCH I 95  Die Erstellung eines STELLA-Modells zum Versuch (Tätigkeit MB) nimmt nur etwa 10-20 Minuten in Anspruch (weniger als 10% der Praktikumszeit).  Das Aufnehmen von Messwerten (ME) beansprucht den größten Teil der Prakti- kumszeit, gefolgt von den Tätigkeiten MA und 3P.  Die Anteile der Tätigkeiten LG (Versuchsanleitung) und SL (Schreiben/Lesen) an der Praktikumszeit sind gering.  Der Anteil der Tätigkeit X (versuchsfremde Aktivitäten) ist im traditionellen Prakti- kum deutlich höher als im computergestützten Praktikum. Es gibt allerdings auch zwei wichtige Unterschiede zu den Ergebnissen der Analyse von Versuch II: (1) Der Anteil der Tätigkeit MA an der Praktikumszeit ist im traditionellen Praktikum (Gruppe TRAD) mehr als doppelt so hoch wie im computergestützten Praktikum (Gruppen MBL und MBS). Dieser deutliche Unterschied lässt sich nicht mit zufälli- gen Schwankungen durch die kleinen Stichprobengrößen erklären. Er lässt sich auf Unterschiede im Versuchsaufbau zurückführen. Im computerunterstützten Experi- ment wird der XY-Schreiber durch den Computer ersetzt. Dies ein erheblicher Ein- griff in den Versuchsaufbau. Bei Verwendung des XY-Schreibers müssen von den Vpn zahlreiche Justierungen, Einstellungen und Anschlüsse vorgenommen werden. Bei Verwendung des Computers zur Messwertaufnahme fallen diese Aktivitäten weg. Dies führt zu einem deutlich geringeren Anteil der Tätigkeit MA an der Prakti- kumszeit. Dies zeigt, dass, je nach Experiment, der Computer die Versuchsanordnung und damit die Handlungen der Studierenden, beträchtlich verändern kann. Vor dem Einsatz des Computers muss daher analysiert werden, welche Ziele mit dem jeweili- gen Praktikumsexperiment erreicht werden sollen. (2) Der Anteil der Tätigkeit 3P an der Praktikumszeit ist für die „computergestützten“ Gruppen höher als für die „traditionelle“ Gruppe. Dieser Unterschied ist bei den Er- gebnissen zu Versuch I (Abb. 9.1) nicht zu beobachten (er fällt dort sogar umgekehrt aus). Der Grund liegt vermutlich darin, dass die Vpn bei der Durchführung von Ver- such I zum ersten Mal den Computer im Praktikum benutzen. Dabei bitten sie den Betreuer häufiger um Hilfe als bei der wiederholten Benutzung des Computers in Versuch II. Dies zeigt, dass, wie bei der Konzeption der Untersuchung postuliert (siehe Kap. 6-3), Probleme bei der Computerbenutzung bei der Durchführung von Versuch II vermutlich keine bedeutende Rolle mehr spielen. Die Untersuchungser- gebnisse werden dadurch also nicht beeinflusst. Analyse der Sprechhandlungen Abbildung 9.13 zeigt, analog zu Abbildung 9.4, die Anteile der von den Sprechhandlun- gen der Vpn berührten Inhaltsbereiche an der Praktikumszeit. KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE96 Abbildung 9.12: Mittlere Anteile der von den Sprechhandlungen der Studierenden be- rührten Inhaltsbereiche an der Praktikumszeit von Versuch I. Alle anhand der Ergebnisse zu Versuch II bereits ausführlich diskutierten Befunde wer- den bestätigt:  In etwa 40% der Praktikumszeit berühren die Sprechhandlungen der Studierenden keinen der Inhaltsbereiche Messung oder Physik.  Ebenfalls in etwa 40% der Praktikumszeit berühren die Sprechhandlungen den In- haltsbereich Messung.  In nur rund 20% der Praktikumszeit sind die Sprechhandlungen physikbezogen.  Die Vpn der Gruppe TRAD haben deutlich mehr versuchsfremde Sprechhandlungen (X) als die Vpn der „computergestützten“ Gruppen.  Die Vpn der MBS-Gruppe haben im Inhaltsbereich Physik deutlich mehr Sprech- handlungen als die Vpn der Gruppen TRAD und MBL. Inhaltsbereich Physik In Abbildung 9.13 sind, analog zu Abbildung 9.6, die Anteile der Kategorien P (deskrip- tive kognitive Ebene) und PP (abstrakte kognitive Ebene) an der Praktikumszeit darge- stellt. Auch hier werden die im Zusammenhang mit Versuch II diskutierten Ergebnisse bestätigt:  Nur in einem sehr geringen Teil der Praktikumszeit regulieren die Vpn ihre Hand- lungen auf der abstrakten kognitiven Ebene. Bei den Vpn der MBS-Gruppe ist dies häufiger der Fall als bei den Vpn der Gruppe TRAD. Im Unterschied zu den Ergebnissen zu Versuch II haben allerdings auch die Vpn der MBL-Gruppe mehr physikbezogene Sprechhandlungen auf der abstrakten Ebene als die der Gruppe TRAD. Die Frage ist, ob dieser hohe Wert auf den Einsatz der computerge- stützten Messwerterfassung zurückzuführen ist. Durch Betrachtung der Dichtewerte der Kategorie PP kann diese Frage beantwortet werden. 0% 10% 20% 30% 40% 50% X Kein Messung Physik Inhaltsbereiche An te il a .d. Pr ak tik um sze it TRAD MBL MBS 9-6 ERGEBNISSE ZU VERSUCH I 97 Abbildung 9.13: Mittlere Anteile der Kategorien P (deskriptive kognitive Ebene) und PP (abstrakte kognitive Ebene) an der Praktikumszeit von Versuch I. Abbildung 9.14 zeigt, analog zu Abbildung 9.9, die Dichten physikbezogener Sprech- handlungen auf der abstrakten kognitiven Ebene bezüglich der verschiedenen Tätig- keiten. Abbildung 9.14: Mittlere Dichten physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten kognitiven Ebene bezüglich der verschiedenen Tätigkeiten in Versuch I. Auch hier besteht eine große Übereinstimmung mit den bei der Analyse von Versuch II gefundenen Ergebnissen:  Die Modellbildung (MB) ist die einzige Tätigkeit im Praktikum, die Beschäftigung mit physikalischer Theorie deutlich fördert. Die Durchführung von Simulationen dagegen (in den Kategorien MA bzw. ME enthalten) bietet diesbezüglich keinen Vorteil.  Neben der Modellbildung hat nur die Interaktion mit dem Betreuer (3P) einen ho- hen Dichtewert physikbezogener Sprechhandlungen auf der abstrakten Ebene. 0% 10% 20% 30% 40% 3P MA ME DM MB Tätigkeiten Dic ht e a bs tra kte Eb en e TRAD MBL MBS 11,8% 12,9% 18,5% 3,6% 7,0% 8,1% 0% 10% 20% 30% TRAD MBL MBS An tei l a .d. Pr ak tik um sze it abstrakte Ebene deskriptive Ebene KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE98  Die Tätigkeiten Messen (ME) und Manipulieren (MA), mit denen während der Praktikumsarbeit die meiste Zeit verbracht wird, sind nicht förderlich für (physika- lisch-) theoriegeleitetes Handeln. Auch der Einsatz des Computers zur Messwerter- fassung ändert daran nichts.  Das Durchführen von Auswertungen (DM) fördert die Benutzung physikalisch- theoretischen Wissens nicht in besonderem Maße. Nun kann erklärt werden, warum bei Versuch I - im Gegensatz zu Versuch II - die MBL- Gruppe über die gesamte Praktikumszeit einen relativ hohen Anteil theoriebezogener Sprechhandlungen aufweist (siehe Abb. 9.13, vorhergehende Seite). Hierzu muss die Darstellung der Dichten (Abb. 9.14) mit der Darstellung der Tätigkeitsanteile an der Praktikumszeit (Abb. 9.11, S. 94) in Zusammenhang gebracht werden. Die einzige Tä- tigkeit mit einer relativ hohen Dichte theoriebezogener Sprechhandlungen für die Vpn der MBL-Gruppe ist die Tätigkeit 3P (Abb. 9.14). Dies ist nach Abb. 9.11 auch die einzi- ge Tätigkeit, die diese Vpn häufiger ausüben als die Vpn der Gruppen TRAD und MBS. Also ist der hohe Anteil der Tätigkeit 3P an der Praktikumszeit die Ursache für den ho- hen Anteil theoriebezogener Sprechhandlungen in der Gruppe MBL. Indirekt ist dieser Befund jedoch auf den Einsatz des Computers zur Messwerterfassung zurückzuführen: Bei der Praktikumsarbeit dieser Gruppe lag ein Messfehler vor, der nur dadurch ent- deckt und korrigiert werden konnte, dass die Auswertung der Daten direkt im An- schluss an die Messung geschah. Die beiden Studierenden der MBL-Gruppe hatten im zweiten Teil der Versuchsdurchführung (siehe Kap. 7-1) die Schaltung falsch aufgebaut. Dies wurde zunächst nicht bemerkt. Die Vpn führten die Messung also bis zum Ende durch. Erst bei der Auswertung der Messwerte durch die graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Frequenz und Phase bzw. Amplitude mit dem Computer wurde deutlich, dass die Werte nicht stimmen könnten. Die Fehlersuche und Korrektur der Schaltung, bei der der Betreuer half, führte zu einer Diskussion über die der Mes- sung zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge. Diese Diskussion schlägt sich, wie oben gezeigt, in den Analyseergebnissen nieder. Die Schaltung wurde darauf- hin verändert und die Messung wurde wiederholt. Zur Rolle computergestützter Messwerterfassung Diese Beobachtung zeigt, dass, obwohl Hypothese 1b verworfen werden musste (siehe S. 84), der Computer eine wichtige Rolle spielen kann, wenn er zur Messwerterfassung im Praktikum eingesetzt wird. Im traditionellen Praktikum erfolgt keine Überprüfung der Daten und Darstellung der Ergebnisse direkt im Anschluss an die Messung (vgl. Abschnitt 9-1). Die Kontrolle der Messwerte findet dort entweder durch den Betreuer statt, ohne dass die Studierenden selber wissen müssen, nach welchen Kriterien die Korrektheit der Werte beurteilt wird, oder der Fehler wird von den Vpn erst einige Tage später, im Zusammenhang mit der Datenauswertung, bemerkt. Eine Richtigstellung bzw. systematische Fehlersuche im Versuchsaufbau ist dann nicht mehr möglich. Ein Versuchsablauf wie der beschriebene konnte allerdings nur in diesem einen Fall beobachtet werden. In der Regel sind die Messergebnisse der Studierenden korrekt. Das liegt daran, dass die Praktikumsarbeit durch die Versuchsanleitung und die 9-7 ZUSAMMENFASSUNG 99 Betreuung so genau angeleitet wird, dass grobe Fehler beim Versuchsaufbau und bei der Durchführung der Messungen nur selten auftreten (Ausdruck eines Studenten: „Die Versuche klappen.“). Die Möglichkeit, die der Computer zur Rückmeldung, und damit zur Überprüfung und Korrektur der eigenen Handlungen, bietet, bleibt daher im Kon- text des traditionellen Praktikums weitgehend ungenutzt. Um dieses Potential des Computers zu nutzen, müsste das Praktikum dahingehend verändert werden, dass den Studierenden Gelegenheit gegeben wird, Fehler zu machen und sie zu korrigieren. 9-7 ZUSAMMENFASSUNG In diesem Kapitel wurden die Ergebnisse der Videoanalyse vorgestellt. Es wurde, an- hand von Versuch II („Anharmonische Schwingungen“), Hypothese (1) überprüft, nach der die bei der Handlungsregulation im Praktikum erbrachten kognitiven Leistungen der Studierenden von der Art der Lernumgebung abhängen (siehe Anfang dieses Kapi- tels). Die Zusammenfassung ist in drei Abschnitte unterteilt, die sich auf die drei ver- schiedenen Lernumgebungen beziehen. Alle Darstellungen gelten, sofern nicht im Text anders vermerkt, für Versuch II. Traditionelles Praktikum Es wurde gezeigt, dass im traditionellen Praktikum die Handlungen der Studierenden in hohem Maße von der Versuchsanleitung bestimmt werden. Die Vorschriften der Ver- suchsanleitung und die zeitlichen und sozialen Rahmenbedingungen des Praktikums führen dazu, dass die Studierenden wenig Spielraum für Handlungsalternativen haben. Daher fallen, wenn man die an den Computereinsatz geknüpften Tätigkeiten nicht be- trachtet, die Anteile der verschiedenen Tätigkeiten an der Praktikumszeit für alle Vpn ungefähr gleich hoch aus. Das Durchführen von Messungen steht im Mittelpunkt der Praktikumsarbeit. Zwischen 40 und 60% der Praktikumszeit werden mit dem Aufnehmen von Messwerten ver- bracht. In rund 40% der Praktikumszeit beziehen sich die handlungsleitenden Kogniti- onen der Studierenden auf den Inhaltsbereich Messung. Das bedeutet, dass in diesem Zeitanteil die Handlungen von der Frage „Wie gelange ich zu gültigen Messergebnis- sen?“ geleitet sind. Des Weiteren zeigte sich, dass die Studierendem in einem großen Teil (40%) der Praktikumszeit ihre Handlung regulieren, ohne dass die handlungslei- tenden Kognitionen physikalische oder methodische Aspekte des Praktikumsexperi- ments berühren. Das zeigt, dass die Studierenden sehr viele Routinetätigkeiten ausfüh- ren. Der zeitliche Anteil dieser Tätigkeiten wird vom Computereinsatz und vom Thema des Versuchs nicht beeinflusst, ist also auf die allgemeinen Rahmenbedingungen des traditionellen Praktikums zurückzuführen. In nur rund 20% der Praktikumszeit beziehen sich die handlungsleitenden Kognitionen auf physikalische Konzepte. Damit kommt dem Inhaltsbereich Physik eine deutlich ge- ringere Bedeutung zu als dem Inhaltsbereich Messung. Weiterhin konnte gezeigt wer- den, dass (physikalisch-) theoriegeleitetes Handeln (manipulating ideas) im traditio- nellen Praktikum praktisch nicht vorkommt. In nur 5% der Praktikumszeit beziehen KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE100 sich die handlungsleitenden Kognitionen der Studierenden auf physikalische Theorie. Dieser Anteil an der Praktikumszeit ist sogar noch geringer als der Anteil, in dem die Studierenden sich mit versuchsfremden Inhalten beschäftigen (etwa dem Mittagessen oder der nächsten Klausur). Das bedeutet, dass die Handlungsregulation bezüglich des physikalischen Inhaltsbereichs auf der deskriptiven kognitiven Ebene stattfindet. Hypothese (1a) konnte damit bestätigt werden. Des Weiteren wurde untersucht, welche Tätigkeiten die Benutzung physikalischer Kon- zepte bei der Handlungsregulation fördern. Bei den Tätigkeiten Manipulieren und Mes- sen, mit denen im Praktikum weitaus am meisten Zeit verbracht wird, ist dies nicht der Fall. Wenn die Lernumgebung nicht grundsätzlich umgestaltet wird, ist eine intensive und gezielte Betreuung der Studierenden die einzige Möglichkeit, das traditionelle Praktikum im Hinblick auf physikbezogenes Handeln zu verbessern. Auswertungen oder rechnerische Überprüfungen von Messdaten werden während der traditionellen Praktikumsarbeit nicht durchgeführt. Die Versuchsauswertung findet getrennt von der Versuchsdurchführung statt. Die vielfach gemachte Annahme, dass im Rahmen der Versuchsauswertung eine intensivere Auseinandersetzung mit der physi- kalischen Theorie des Experiments stattfindet als während der Versuchsdurchführung, konnte nicht bestätigt werden. Auch hier ist nur ein minimaler Anteil (<5%) der Sprechhandlungen der Studierenden theoriebezogen. Offenbar dient auch die Ver- suchsauswertung nur dem Ziel, die in der Anleitung geforderten Endergebnisse zu er- rechnen und Fehlerrechnungen durchzuführen. Computergestützte Messwerterfassung Hypothese (1b) musste verworfen werden. Es konnte nicht gezeigt werden, dass der Einsatz des Computers zur automatischen Messwerterfassung und -bearbeitung die Auseinandersetzung der Studierenden mit der physikalischen Theorie des Experiments fördert. Auch in dieser Lernumgebung beziehen sich die Kognitionen der Studierenden in nur etwa 20% der Praktikumszeit auf den Inhaltsbereich Physik. Beim Einsatz com- putergestützter Messwerterfassung kommt es bei keiner Tätigkeit häufiger zu theorie- geleitetem Handeln als im traditionellen Praktikum. Das heißt, dass auch im computer- gestützten Praktikum die Handlungsregulation bezüglich des physikalischen Inhaltsbereiches auf der deskriptiven kognitiven Ebene stattfindet. Es konnte beobachtet werden, dass die Visualisierung der Schwingungskurven in Echt- zeit Anknüpfpunkte für physikbezogene Diskussionen beim Messen bietet. Es handelt sich dabei aber um einzelne Ereignisse, die im Kontext des hier untersuchten Prakti- kums nicht zur Geltung kommen, da die Studierenden sich vor allem auf die Durchfüh- rung von Messungen konzentrieren (s.o.). Um die Vorteile, die der Computer bietet, besser nutzen zu können, muss die Lernumgebung grundsätzlich verändert werden. Nach den Untersuchungsergebnissen ist der Hauptvorteil computergestützter Mess- werterfassung die Möglichkeit der Auswertung von Messdaten im direkten Anschluss an die Messung. Die Studierenden bekommen dadurch eine Rückmeldung über den Erfolg ihrer Handlungen, die sie im traditionellen Praktikum nicht bekommen können. Am Beispiel von Versuch I wurde gezeigt, dass dies zur selbstständigen Entdeckung von 9-7 ZUSAMMENFASSUNG 101 Messfehlern und in diesem Zusammenhang zu physikbezogenen Diskussionen führen kann. Etwa 5% der Praktikumszeit wird mit computerspezifischen Aktivitäten (Speichern, Formatieren etc.) verbracht, die nur indirekt mit dem Praktikumsexperiment zu tun haben. Davon abgesehen beschäftigen sich Studierende, die mit dem Computer arbei- ten, wesentlich seltener mit versuchsfremden Inhalten als Studierende im traditionel- len Praktikum. Dort führt vor allem das Aufnehmen von Messwerten zu Wartezeiten, während derer die Studierenden versuchsfremde Tätigkeiten ausführen. Im computer- gestützten Praktikum dagegen ist die Aufmerksamkeit der Studierenden durchgehend auf den Computer gerichtet. Das führt in dem untersuchten Experiment (Versuch II) dazu, dass, wie auch im traditionellen Praktikum, von allen diesen Studierenden der Amplitudensprung des Drehpendels bei der kritischen Frequenz übersehen wird. Modellbildung und Simulation Hypothese (1c) konnte bestätigt werden. Es wurde gezeigt, dass die Erarbeitung und Anwendung eines physikalischen Modells mit Hilfe eines Modellbildungssystems die Auseinandersetzung mit der physikalischen Theorie des Experiments im Praktikum fördert. Die handlungsleitenden Kognitionen der Studierenden der Gruppe MBS berüh- ren signifikant häufiger den Inhaltsbereich Physik, verglichen mit den Studierenden der Gruppen TRAD und MBL. Außerdem findet die Handlungsregulation signifikant häufi- ger auf der abstrakten kognitiven Ebene (physikalisch-theoriegeleitet) statt. Die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Tätigkeiten und Kognitionen erlaubt, dieses Ergebnis zu differenzieren. Es konnte gezeigt werden, dass der hohe Anteil phy- sikbezogener Sprechhandlungen hauptsächlich auf die Tätigkeit der Modellbildung zu- rückzuführen ist. Dies ist außerdem die einzige Tätigkeit im Praktikum, die theoriege- leitetes Handeln deutlich verlangt. Für das Durchführen von Simulationen dagegen gilt dies nicht. Das liegt daran, dass es bei einmal fertiggestelltem Modell genügt, Simulati- onsparameter solange zu variieren, bis ein bestimmtes Ergebnis erhalten wird. Die Simulation des Experiments für Durchführung der Messung hilft aber, die Aufmerk- samkeit der Studierenden auf den wichtigen Frequenzbereich zu richten. Alle Vpn, die mit dem Modellbildungssystem arbeiten, achten auf den Sprung der Amplitude des Pendels bei der kritischen Frequenz. Abhängigkeit der Ergebnisse vom Versuchsthema Im letzten Abschnitt des Kapitels wurden die mit der Analyse von Versuch II gewonnen Ergebnisse durch die Analyse der Praktikumsarbeit von sechs Vpn an Versuch I über- prüft. Dabei konnten alle oben beschriebenen Befunde bestätigt werden. Das bedeutet, dass die in diesem Kapitel vorgestellten Ergebnisse vermutlich nur wenig vom Thema des Versuchs abhängig sind. Weiteres Vorgehen In diesem Kapitel wurden die Tätigkeiten und die Handlungsregulation der Studieren- den während der Praktikumsarbeit untersucht. Es wurde aber noch nicht betrachtet, ob KAPITEL 9: ERGEBNISSE DER VIDEOANALYSE102 die Praktikumsarbeit auch zu einem Wissenserwerb im Themenbereich des Praktikum- sexperiments führt. Aufgrund der Ergebnisse der Videoanalyse kann vermutet werden,  dass Studierende, die mit dem Modellbildungssystem arbeiten, mehr physikalisches Wissen erwerben als die Studierenden der Gruppen TRAD und MBL, und  dass der Wissenszuwachs im physikalischen Inhaltsbereich geringer ausfällt als im Inhaltsbereich Messung. Dies wird in den folgenden Kapiteln anhand der vor und nach der Praktikumsarbeit er- hobenen Begriffsnetze untersucht. Im nächsten Kapitel wird zunächst die Methode zur Auswertung der Begriffsnetze beschrieben. Anschließend (Kapitel 11) werden die Er- gebnisse der Begriffsnetzanalyse vorgestellt und mit den Ergebnissen der Videoanalyse in Zusammenhang gebracht. Kapitel 10 ANALYSE DER BEGRIFFSNETZE 10-1 Erhobene Begriffsnetze 10-2 Analyseverfahren 10-3 Erstellung des Referenznetzes 10-4 Kategorisierung der Referenznetzverbindungen 10-5 Durchführung der Begriffsnetzanalyse 10-1 ERHOBENE BEGRIFFSNETZE Anhand der Begriffsnetze wird untersucht, ob durch die Durchführung eines Prakti- kumsexperiments physikalisches und experimentelles Wissen erworben wird, und ob ein Computereinsatz im Praktikum den Umfang und die Art des erworbenen Wissens beeinflusst. Nach Kapitel 6 wurde von jeder Vpn vor und nach jedem der beiden Prakti- kumsversuche jeweils ein Begriffsnetz angefertigt. Damit stehen insgesamt 72 Begriffs- netze zur Auswertung zur Verfügung. Wie dieses Kapitel zeigen wird, ist das gewählte Auswertungsverfahren äußerst zeitaufwendig. Es muss deshalb eine Beschränkung auf einen der beiden Praktikumsversuche vorgenommen werden. Um die Ergebnisse von Begriffsnetz- und Videoanalyse zusammenführen zu können, wurden nur die Begriffs- netze zu Versuch II („Anharmonische Schwingungen“) analysiert, da hier auch die kompletten Videodaten vorliegen. Die Darstellungen im vorliegenden Kapitel beziehen sich daher nur auf diesen Versuch. Als Ausgangsmaterial für das Erstellen der Concept Maps wurden den Vpn die in Ta- belle 10.1 (nächste Seite) aufgeführten 20 Begriffe zum Versuchsaufbau und zum physi- kalischen Hintergrund des Experiments vorgegeben (vgl. Kap. 6-6). Für die Vpn der Gruppen MBL und MBS (computergestützte Lernumgebungen) wurde, dem veränder- ten Versuchsaufbau entsprechend, der Begriff Winkelskala durch Potentiometer ersetzt (vgl. Kap. 7-1). Damit bleiben die Begriffsnetze vergleichbar. Die Besonderheit der in dieser Untersuchung eingesetzten Begriffsnetze liegt darin, dass in ihnen sowohl physikalisch-theoretische Zusammenhänge als auch eingesetzte Messverfahren und der Versuchsaufbau dargestellt werden. Das dargestellte Wissen zum Praktikumsversuch kann also verschiedenen Inhaltsbereichen angehören (Mes- sung oder Physik). Es kann außerdem auf der Ebene „Versuchsaufbau“ oder auf der KAPITEL 10: ANALYSE DER BEGRIFFSNETZE104 Ebene „physikalische Theorie“ dargestellt werden. Entsprechend werden bei der Dar- stellung bestimmter Zusammenhänge durch die Vpn unterschiedliche kognitive Leis- tungen erbracht. ZUM VERSUCHSAUFBAU ZUR PHYSIK Spiralfeder Schwungscheibe Motor Masse Winkelskala (Potentiometer) Feldspule Lichtschranke Amplitude Anharmonische Schwingung Auslenkung Dämpfungskonstante Drehmoment Federkonstante Frequenz Harmonische Schwingung Periodendauer Phase Stationäre Amplitude Trägheitsmoment Winkelgeschwindigkeit Tabelle 10.1: Ausgangsbegriffe für das Erstellen der Concept Maps. Die von den Vpn gelegten Concept Maps unterscheiden sich inhaltlich. Einige Vpn be- schreiben vor allem den Versuchsaufbau, andere stellen hauptsächlich den physika- lisch-theoretischen Hintergrund dar. Wieder andere konzentrieren sich auf das Vorge- hen bei der Messung der physikalischen Größen. Auch die Genauigkeit, mit der die gelegten Verbindungen beschriftet werden, ist von Vpn zu Vpn verschieden. Manche Vpn schreiben ausführliche Erklärungen an die Verbindungen (z.B. Phase verbunden mit Lichtschranke; Beschriftung: „wird gemessen, indem bei jedem Nulldurchgang ein Spannungspeak erzeugt wird“). Andere beschriften die Verbindungen mit nur einem Begriff (z.B. Phase verbunden mit Lichtschranke; Beschriftung: „messen“). Es gibt also sowohl im Inhalt des dargestellten Wissens als auch in der Art der Wissensdarstellung große Unterschiede zwischen den Vpn. Um diese Unterschiede auszugleichen, müssen die Concept Maps der Studierenden im Zusammenhang mit den dazu geführten Inter- views betrachtet werden. In diesen Interviews werden von den Vpn alle vorhandenen Verbindungen in eigenen Worten erklärt (siehe Kap. 6-6). Für die Auswertung werden die Interviews transkribiert. Ein Beispiel für gelegte Concept Maps einer Vpn mit den zugehörigen Interviewtranskripten (vor und nach der Versuchsdurchführung) findet sich in Anhang 4. Die Auswerteprozedur ist weiter unten beschrieben. Die großen Unterschiede zwischen den Vpn in der Art der Wissensdarstellung und be- züglich des Inhalts des dargestellten Wissens sind eine Folge des offenen Verfahrens, das für die Erhebung der Begriffsnetze eingesetzt wurde (vgl. Kap. 6-6). In vielen Un- tersuchungen, in denen Concept Maps als Wissenstest eingesetzt werden, werden enge- re Verfahren benutzt. Dabei werden den Vpn bestimmte Arten von Verbindungen vor- gegeben (z.B. BONATO 1990, MCCLURE & BELL 1990, BEHRENDT 1997). Solche Einschränkungen erleichtern die Auswertung der Netze, da bereits vor der Erhebung 10-2 ANALYSEVERFAHREN 105 eine Standardisierung der Daten erfolgt. Das in dieser Arbeit eingesetzte Verfahren hat den Vorteil, dass das Wissen der Studierenden umfassender erfasst wird, da keine Ein- schränkungen bezüglich der Darstellung gemacht werden. Allerdings wird die Auswer- tung der Daten erschwert, da ein Verfahren entwickelt werden muss, bei dem alle von den Vpn geäußerten Verbindungen in gleicher Weise bei der Analyse berücksichtigt werden. 10-2 ANALYSEVERFAHREN In der Literatur finden sich viele verschiedene Methoden zur Auswertung von Concept Maps. RUIZ-PRIMO und SHAVELSON (1996) identifizieren drei prinzipielle Vorgehens- weisen: (1) Die Bewertung der Struktur einzelner Maps mit Hilfe eines speziellen Bewertungs- systems (scoring scheme). Die zum Einsatz kommenden Bewertungssysteme sind sehr vielfältig. In der Regel werden Anzahl und Richtigkeit der Verbindungen, Querverbindungen zwischen Netzbereichen, Hierarchieebenen und Beispiele be- wertet. Die meisten Verfahren beruhen auf einem von NOVAK und GOWIN (1984) für biologische Themenbereiche entwickelten Schema. Es geht von einer hierar- chisch vernetzten, durch Beispiele ergänzten Wissensstruktur aus. (2) Der Vergleich von Lerner-Netzen mit einem von Experten erstellten Wissensnetz. Dieses Verfahren beruht auf der Annahme, dass es zu dem betreffenden Themenge- biet eine Darstellung gibt, in der die Wissensstruktur ideal und im Sinne des Para- digmas der jeweiligen Disziplin korrekt organisiert ist. Die Lerner-Netze werden da- nach beurteilt, wie ähnlich sie der Referenzstruktur sind. Dieses Vorgehen ist jedoch problematisch. ACTON et al. (1994) zeigen, dass von Experten angefertigte Refe- renzstrukturen sich erheblich unterscheiden. Je nachdem welche Referenz als Krite- rium herangezogen wird, führen Vergleiche mit Lerner-Maps zu unterschiedlich ho- hen Korrelationen mit Leistungstests. (3) Eine Kombination beider Methoden. Hier ist auch das in der vorliegenden Untersu- chung eingesetzte Verfahren einzuordnen. Die Vielfalt der in der Literatur diskutierten Methoden lässt sich darauf zurückführen, dass das Auswerteverfahren an den Untersuchungsgegenstand angepasst werden muss. Beispielsweise ist das von NOVAK und GOWIN (1984) eingeführte scoring scheme für physikalische Themenbereiche kaum geeignet. Mit ihm werden Hierarchien, also Ober- begriff-Unterbegriff-Zusammenhänge, bewertet, die in der Physik selten interessant sind. In anderen Untersuchungen werden weitere Strukturparameter, etwa Zentrali- tätsindizes, berechnet (z.B. BONATO 1990, BEHRENDT 1997). Solche Verfahren erwei- sen sich dann als sinnvoll, wenn es konkrete Hypothesen bezüglich der Entwicklung der Wichtigkeit einzelner Begriffe in einem bestimmten Themengebiet gibt. Derartige Hypothesen liegen in dieser Arbeit nicht vor. KAPITEL 10: ANALYSE DER BEGRIFFSNETZE106 Eingesetztes Verfahren Auch im hier benutzten Verfahren werden die Begriffsnetzverbindungen bewertet. Die Bewertung erfolgt allerdings nicht numerisch, sondern anhand des Kategoriesystems, das bereits zur Videoanalyse benutzt wurde (siehe Kap. 8-3, S. 60). Die Auswertung der Begriffsnetze berücksichtigt somit nicht nur quantitative sondern auch qualitative As- pekte. Die einzelnen Verbindungen werden im Hinblick auf ihren Inhaltsbereich und auf die mit ihrer Darstellung verbundenen kognitiven Leistung beurteilt. Die Bewer- tung geschieht dabei vor dem gleichen theoretischen Hintergrund wie die Analyse der Handlungsregulation während der Praktikumsarbeit. So kann der Wissenserwerb der Studierenden mit ihrer Handlungsregulation während der Praktikumsarbeit in Verbin- dung gebracht werden. Die Berücksichtigung qualitativer Aspekte bei der Auswertung der Begriffsnetze hat noch eine weitere Funktion: Verschiedene Netze enthalten, wie oben beschrieben, ver- schiedene Inhaltsbereiche (Versuchsaufbau, Messungen, Physik). Begriffsnetze ver- schiedener Vpn können daher eine ähnliche Anzahl von Verbindungen aufweisen, sich inhaltlich aber sehr unterscheiden. Mit Hilfe der Kategorisierung der Verbindungen wird es möglich, die Wissensstrukturen der Vpn in Bezug auf eine bestimmte Kategorie miteinander zu vergleichen. Für den Vergleich der Begriffsnetze untereinander wird ein Referenznetz erstellt. Um die oben beschriebenen Probleme beim Einsatz von Expertennetzen zu vermeiden, ist die Referenzstruktur keine ideale oder vollständige Darstellung eines ganzen Themen- gebiets. Sie besteht aus der Summe aller von den Vpn geäußerten Verbindungen. Alle individuellen Concept Maps der Vpn finden sich in der Referenzstruktur wieder. Das Referenznetz ist also ein Hilfsmittel, um zu gewährleisten, dass bei der Auswertung alle Verbindungen der Einzel-Begriffsnetze der Vpn in gleicher Weise berücksichtigt wer- den. Das eingesetzte Auswerteverfahren besteht demnach aus folgenden Schritten, die an- schließend genauer erläutert werden: (1) Aus allen von den Vpn genannten propositionalen Zusammenhängen zum Prakti- kumsexperiment wird eine Referenzstruktur erstellt. (2) Die Verbindungen des Referenznetzes werden kategorisiert. (3) Die Begriffsnetze der Vpn werden so bearbeitet, dass sie mit der Referenzstruktur verglichen werden können. (4) Für jedes Vpn-Begriffsnetz wird die Anzahl der Verbindungen in den verschiedenen Kategorien (Referenznetzbereichen) ermittelt. 10-3 ERSTELLUNG DES REFERENZNETZES 107 10-3 ERSTELLUNG DES REFERENZNETZES Zur Erstellung der Referenzstruktur müssen die Interviews ausgewertet werden. Das bedeutet, dass jedes von einer Vpn gelegte Concept Map mit dem Inhalt des zugehöri- gen Interviews zu einem Gesamt-Begriffsnetz verbunden wird. In einem ersten Schritt wurde im Rahmen einer Staatsexamensarbeit eine Grundversi- on des Referenznetzes aus dem Text der Versuchsanleitung erstellt, und mit Hilfe der (Gesamt-)Begriffsnetze zweier Vpn auf seine Anwendbarkeit hin überprüft (GERULL 1998). Schon hier zeigt sich, dass die aus dem Text der Versuchsanleitung entnomme- nen Verbindungen den größten Teil der von den Vpn dargestellten Verbindungen abde- cken. Dies ist ein Beleg dafür, dass die Vorbereitung der Studierenden sehr eng an die Versuchsanleitung gekoppelt ist. Ein solches vorgabeorientiertes Verhalten der Studie- renden ist plausibel, da das in der Anleitung dargestellte Wissen im Rahmen des zur Durchführung des Experiments gehörenden Kolloquiums abgefragt wird (vgl. Kap. 6-1). Auswertung der Interviews Der zweite Schritt zur Erstellung eines Referenznetzes, das den Inhalt aller Einzelnetze berücksichtigt, besteht in der Auswertung aller Begriffsnetze der Vpn einschließlich der zugehörigen Interviewtranskripte (s.o.). WHITE und GUNSTONE (1992) beschreiben, wie sich aus Interviewtranskripten durch Aufstellung der darin enthaltenen einzelnen Propositionen Assoziationsnetze erstellen lassen. In Interviews expliziertes Wissen ist danach in Begriffsnetzform darstellbar. Diese Methode wird in der vorliegenden Arbeit benutzt, um, wie oben angedeutet, aus jedem gelegten Concept Map und dem zugehörigem Interviewtranskript ein Gesamt- Begriffsnetz zu erstellen. Das so entstandene Begriffsnetz enthält dann alle von der je- weiligen Vpn in der Erhebungssituation aktivierten und inhaltlich richtigen Wissens- elemente zum Praktikumsversuch. Falsche Verbindungen werden nicht berücksichtigt. Bei der Zusammenführung von gelegten Maps und Interviews muss gewährleistet sein, dass das Verfahren nachvollziehbar ist, und dass verschiedene Personen, die das Ver- fahren anwenden, zu gleichen Begriffsnetzdarstellungen gelangen. Um alle Interview- antworten gleich zu behandeln, werden daher die auftretenden Verbindungen standar- disiert. Jeder von einer Vpn im Interview erläuterte und in das individuelle Begriffsnetz bzw. das Referenznetz übernommene Zusammenhang lässt sich einer der in Tabelle 10.2 dargestellten Verbindungsklassen zuordnen. Des Weiteren wurden ähnliche Beg- riffe oder Ausdrücke vereinheitlicht. Beispielsweise wurde der Ausdruck zusätzliches Drehmoment (damit ist das Drehmoment der am Schwungrad angebrachten Masse gemeint) genauso behandelt wie Massendrehmoment, Feldstrom (der dämpfenden Feldspule) wie Stromstärke, dämpfende Kraft wie Dämpfung, etc. Dies ist notwendig, um Vergleiche zu ermöglichen und um die Anzahl der Begriffe und Verbindungen im Referenznetz nicht ausufern zu lassen. KAPITEL 10: ANALYSE DER BEGRIFFSNETZE108 VERBINDUNGSKLASSE VERBINDUNG BEGRIFFSTYP 1  BEGRIFFSTYP 2 MERKMAL der/des physik. Größe  Objekt ABHÄNGIGKEIT ist abhängig von math. Formel/physik. Größe*  physik. Größe* ist an Objekt  Objekt IST AN, GANZES/TEIL ist Teil von Objekt  Objekt wirkt auf physik. Größe*/Objekt  ObjektURSACHE/WIRKUNG bewirkt Objekt  physik. Größe* GILT FÜR gilt für math. For-mel/Wert  physik. Größe errechnen durch physik. Größe  math. Formel/Rechenverfahren messen von math. Formel  physik. GrößePROZEDUR ablesen an physik. Größe  Objekt BEDINGUNG bei [nicht festgelegt]  [nicht festgelegt] führt aus SchwingendesSystem  Harmonische Schwingung ist Teil von PohlschesRad/Masse  Schwingendes System einstellen Feldstrom  180 mA ist maximale Amplitude  Auslenkung Lagerreibungs- drehmoment  Winkelge- schwindigkeit SPEZIELLE EINZEL- VERBINDUNGEN nicht proportional Auslenkung  rücktreibendeKraft Tabelle 10.2: Standardisierte Verbindungen für die Umwandlung der Interviews in Beg- riffsnetzform und für die Erstellung des Referenznetzes (* Größe oder Konzept). Entstehung des Referenznetzes Während der Auswertung der Interviews werden alle in den Begriffsnetzen der Vpn auftretenden Verbindungen, die noch nicht in der Grundversion des Referenznetzes (s.o.) enthalten sind, zu dieser hinzugefügt. Das Referenznetz wird also Verbindung um Verbindung erweitert. So entsteht eine Referenzstruktur mit folgenden Eigenschaften:  Sie enthält alle in den Begriffsnetzen der Vpn auftretenden Begriffe und Verbindun- gen.  Sie deckt alle Inhaltsbereiche ab (Physik, Messung, Versuchsaufbau).  Sie enthält nur physikalisch korrekte Verbindungen.  Die Verbindungen sind standardisiert (s.o.). 10-3 ERSTELLUNG DES REFERENZNETZES 109 Es wurden zwei Referenznetze erstellt, eines für die Vpn-Gruppe TRAD (traditionelle Praktikumsarbeit), und eines für die Vpn-Gruppen MBL und MBS (computerunter- stützte Praktikumsarbeit). Sie unterscheiden sich nur in einigen wenigen Verbindun- gen, die den leicht veränderten Versuchsaufbau betreffen (Potentiometer statt Winkel- skala; s.o.). Das Referenznetz für Vpn der Gruppe TRAD hat 195 Verbindungen. Das Referenznetz für Vpn der Gruppen MBL und MBS hat 197 Verbindungen. Das „traditi- onelle“ Referenznetz findet sich im DIN-A2-Format in Anhang 5, ganz am Ende der Ar- beit. Systematisierung der Referenznetzverbindungen Um zu gewährleisten, dass beim Vergleich mit dem Referenznetz alle von den Vpn in den Begriffsnetzen dargestellten Zusammenhänge gleich behandelt werden, müssen die Verbindungen des Referenznetzes systematisiert und vereinheitlicht werden. Das be- deutet, dass Netzbereiche, in denen ähnliche physikalische, messbezogene oder ma- thematische Inhalte dargestellt sind, auch gleiche Strukturen besitzen. Ein (physikbe- zogenes) Beispiel ist in Abbildung 10.1 dargestellt. Abbildung 10.1: Beispiel für die strukturelle Gleichbehandlung von Teilen des Referenz- netzes, in denen ähnliche physikalische Inhalte dargestellt sind. Links die Darstellung des Spiralfederdrehmoments, rechts die Darstellung des durch den Motor verursachten äußeren Drehmoments. Des Weiteren wurde, um die ohnehin sehr große Zahl der Verbindungen einzuschrän- ken, für die Darstellung der Referenzstruktur ein Verfahren gewählt, bei dem nicht alle möglichen Verbindungen explizit eingetragen werden. Trotzdem sind alle von den Vpn genannten Zusammenhänge enthalten. Bei diesem Verfahren werden direkte Verbin- dungen zwischen zwei Begriffen durch zwei oder mehrere andere Verbindungen und Begriffe zum gleichen Gegenstand ersetzt. Ein einfaches Beispiel ist in Abbildung 10.2 (nächste Seite) dargestellt. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass nicht mehr gezählt werden kann, welche Verbindung wie häufig von verschiedenen Vpn genannt wird. Da in dieser Untersuchung jedoch primär die Unterschiede zwischen Vor- und Nachmap MD = -D  abhängig Spiralfeder abhängig Feder- konstante Spiralfeder- drehmoment Auslen- kung rücktreibende Kraft bewirkt wirkt auf abhängigabhängig Schwung- scheibe M(t) = M0 sint abhängig Motor- frequenzMotor- drehmoment antreibende Kraft abhängig abhängig Zeit abhängig wirkt auf Schwung- scheibeMotor bewirkt KAPITEL 10: ANALYSE DER BEGRIFFSNETZE110 interessieren (diese können gezählt werden), wird dieser Nachteil in Kauf genommen. Weitere Erläuterungen zur Struktur des Referenznetzes finden sich in Anhang 5. Abbildung 10.2: Beispiel für das Strukturprinzip des Referenznetzes. Theoretisch sind drei Verbindungen zwischen den drei Begriffen möglich. Die Verbindung Auslenkung der Schwungscheibe wird jedoch nicht explizit eingezeichnet (obere Abb.). Sie ist in den beiden eingezeichneten Verbindungen enthalten. Wird nur die Verbindung Auslenkung der Schwungscheibe von einer Vpn genannt, so wird der Begriff Amplitude übersprun- gen (untere Abb.). Mit dieser Methode wird das Referenznetz auf eine überschaubare Verbindungszahl reduziert. 10-4 KATEGORISIERUNG DER REFERENZNETZVERBINDUNGEN Wie oben angedeutet lassen sich die Begriffsnetzverbindungen nach Kategorien eintei- len, die denen der Videoanalyse entsprechen. Die Verbindungen werden also bezüglich ihres Inhaltsbereichs und bezüglich der mit ihrer Darstellung verbundenen kognitiven Leistung kategorisiert. Damit kann ein Zusammenhang bezüglich der kognitiven Leis- tungen im jeweiligen Inhaltsbereich während der Praktikumsarbeit und der Begriffs- netzdarstellung hergestellt werden. Bei der Kategorisierung wird für jede einzelne Referenznetzverbindung folgenderma- ßen vorgegangen: 1. Die Verbindung wird „verbalisiert“ (das heißt, die betreffende Proposition wird als Satz ausgedrückt). 2. Der Satz wird als eine während der Praktikumsarbeit auftretende Sprechhandlung aufgefasst. 3. Die Sprechhandlung wird entsprechend den Vorschriften zur Videoanalyse (siehe Kap. 8-3) kodiert. An dieser Stelle wird die Funktion des Referenznetzes besonders deutlich. Bei der Aus- wertung der zu den Begriffsnetzen geführten Interviews (s.o.) wurden die Verbalisie- rungen der Studierenden in Propositionen zerlegt und in eine einheitliche Struktur ge- bracht. Nun werden die Propositionen wieder „verbalisiert“ und nach Kategorien eingeteilt. Ihre Struktur bleibt dabei aber erhalten. Das Referenznetz wirkt also wie ein Filter, der die in Sprache und Inhalt vielfältigen Äußerungen der Studierenden zum Themenbereich des Praktikumsexperiments in eine überschaubare, und im Hinblick auf die Ziele der Untersuchung auswertbare Darstellung überführt. Tabelle 10.3 verdeutlicht anhand von Beispielen für Begriffsnetzverbindungen, wie den Propositionen bestimmte Kategoriekombinationen zugeordnet werden. Die Kategori- Auslenkung Amplitude Schwung-scheibeist maximale der Auslenkung Schwung-scheibeder 10-4 KATEGORISIERUNG DER REFERENZNETZVERBINDUNGEN 111 sierung der Referenznetzverbindungen ist an die verschiedenen Verbindungstypen (s.o., Tab. 10.2) geknüpft. Dabei wird jede Kategoriekombination im Referenznetz durch eine andere Farbe repräsentiert (siehe Anhang 5). Die Zuordnung der Verbin- dungstypen zu den Kategoriekombinationen ist in Tabelle 10.4 dargestellt. BEGRIFFSNETZVERBINDUNG (BEISPIEL) KAT. INHALTSBEREICH KOG. LEISTUNG* Die Dämpfungskonstante ist abhängig von der Winkelgeschwindigkeit PP theoriebezogen abstrakt Zur Bestimmung des Trägheitsmoments wird die Federkonstante gemessen MPP mess- und theo- riebezogen abstrakt Die Spiralfeder hat eine Federkonstante P physikbezogen deskriptiv Die Dämpfungskonstante wird über ei- ne lineare Regression bestimmt MP mess- und phy- sikbezogen deskriptiv Die Steigung wird über eine lineare Regression bestimmt M messbezogen Die Lichtschranke ist am Motor ange- bracht O objektbezogen Tabelle 10.3: Zuordnung der Kategorien aus Kapitel 8-3 (S. 60) zu Beispielen für Beg- riffsnetzverbindungen (* die Unterscheidung zwischen deskriptiver und abstrakter kog- nitiver Leistung wird wie bei der Videoanalyse nur bezüglich des Inhaltsbereichs Physik (d.h. auf physikalische Konzepte bezogen) vorgenommen (vgl. Kap. 8-3). VERBINDUNG BEGRIFFSTYP 1  BEGRIFFSTYP 2 KAT. NREFERENZ ist abhängig von math. Formel/ physik. Größe*  physik. Größe* PP 76 (rot) messen von math. Formel  physik. Größe MPP 24 (blau) gilt für math. For-mel/Wert  physik. Größe errechnen durch physik. Größe  math. Formel/ Rechenverfahren MP 29 (türkis) errechnen durch math. Formel/ Rechenverfahren  math. Formel/ Rechenverfahren M 21 (grün) wirkt auf physik. Größe  Objekt der/des physik. Größe  Objekt bewirkt Objekt  physik. Größe* ablesen an physik. Größe  Objekt P 28 (gelb) ist an Objekt  Objekt ist Teil von Objekt  Objekt wirkt auf Objekt  Objekt O 17 (schwarz) Tabelle 10.4: Einteilung der Begriffsnetzverbindungen in Kategorien, die denen der Videoanalyse entsprechen(vgl. Abb. 10.2) (*Größe oder Konzept). In der letzten Spalte (NReferenz) ist die Anzahl der jeweiligen Verbindungen sowie ihre Farbe im Referenznetz (siehe Anhang 5) angegeben. KAPITEL 10: ANALYSE DER BEGRIFFSNETZE112 Bearbeitung der Begriffsnetze der Vpn Alle nach der Auswertung der Interviews vorliegenden 36 Einzel-Begriffsnetze der Vpn (18 vor und 18 nach Durchführung des Praktikumsexperiments) werden nun an die Referenzstruktur angepasst. Das bedeutet, sie werden so bearbeitet, dass jedes Einzel- Begriffsnetz hinterher die gleichen Strukturmerkmale wie das Referenznetz aufweist. So wird gewährleistet, dass bei der anschließenden Ermittlung der Verbindungszahlen alle Vpn-Begriffsnetze gleich behandelt werden. Ein Beispiel für bearbeitete Begriffs- netze einer Vpn (vor und nach der Versuchsdurchführung) findet sich in Anhang 5. 10-5 DURCHFÜHRUNG DER BEGRIFFSNETZANALYSE Mit dem Referenznetz steht das benötigte Auswerteinstrument zur Verfügung. Es er- möglicht die Analyse der Begriffsnetze unter folgenden zwei Gesichtspunkten: (1) Das in den Begriffsnetzen dargestellte Wissen kann mit der Handlungsregulation der Studierenden während der Praktikumsarbeit in Zusammenhang gebracht wer- den. Hierfür wird, analog zum Vorgehen bei der Videoanalyse, das Wissen der Stu- dierenden in drei Inhaltsbereichen betrachtet (vgl. Kap. 8-3, S. 58-60):  Keiner der Inhaltsbereiche Messung oder Physik  Inhaltsbereich Messung  Inhaltsbereich Physik Im Inhaltsbereich Physik ist außerdem die Unterscheidung von zwei Ebenen der kognitiven Leistung möglich:  Deskriptive kognitive Ebene  Abstrakte kognitive Ebene (physikalische Theorie) Die drei Inhaltsbereiche und zwei kognitiven Ebenen werden im Folgenden als (ins- gesamt fünf) Referenznetzbereiche bezeichnet. (2) Die Begriffsnetze der einzelnen Vpn können in den verschiedenen Bereichen mit- einander verglichen werden. Hierfür wird für jedes Einzel-Begriffsnetz vor dem Ver- such (Vormap) und nach dem Versuch (Nachmap) in allen Referenznetzbereichen die Verbindungszahl (Zahl der Propositionen) ermittelt. Sie ist ein Maß für den Umfang des Wissens einer Vpn in diesem Bereich. Die Gesamtzahl der Verbindun- gen eines Begriffsnetzes wird als Gesamtwissen bezeichnet. Die Zahl der Verbindungen, die im Nachmap einer Vpn enthalten sind, aber im Vormap noch nicht enthalten sind, ist ein Maß für den Umfang des durch die Durchführung des Praktikumsexperiments erworbenen Wissens. Die Differenz der Verbindungszahlen von Vor- und Nachmap (in einem Bereich) wird daher als Wis- senszuwachs (in diesem Bereich) bezeichnet. Der Wissenszuwachs kann also sowohl insgesamt als auch in Bezug auf die verschiedenen Inhaltsbereiche bzw. die er- brachten kognitiven Leistungen bewertet werden. 10-5 DURCHFÜHRUNG DER BEGRIFFSNETZANALYSE 113 Anhand der durch das Referenznetz vorgegebenen Struktur ist es außerdem leicht möglich, die Begriffsnetze der Vpn im Hinblick auf bestimmte Propositionen bzw. bestimmte inhaltliche Aspekte des Praktikumsexperiments zu vergleichen. So kann untersucht werden, ob es Wissenselemente gibt, die besonders häufig mit der Durchführung des Praktikumsexperiments erworben werden. Kapitel 11 ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE 11-1 Einführung 11-2 Varianzanalytische Auswertung 11-3 Zusammenhang zwischen Praktikumsarbeit und Wissenserwerb 11-4 Qualitative Auswertung 11-5 Zusammenfassung 11-1 EINFÜHRUNG In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Begriffsnetzanalyse vorgestellt. Es wird al- so untersucht, ob durch die Durchführung eines Praktikumsexperiments ein Wissens- zuwachs erreicht wird, und ob dieser von der Art der Lernumgebung abhängig ist. Au- ßerdem wird untersucht, ob ein Zusammenhang zwischen den während der Praktikumsarbeit beobachteten Handlungen und dem Lernerfolg, gemessen mit den Begriffsnetzen, besteht. Alle Darstellungen beziehen sich, wie zu Beginn von Kapitel 10 begründet, auf Versuch II („Anharmonische Schwingungen“). Nach Kapitel 6-5 wird folgende Hypothese bezüglich des Lernens im physikalischen Anfängerpraktikum mit und ohne Computer überprüft: (2) Mit der Durchführung eines Praktikumsexperiments erwerben die Studierenden physikalisches und experimentelles Wissen. Der Umfang des erworbenen Wissens (der Wissenszuwachs) hängt von der Art der Lernumgebung ab: (a) Studierende im computergestützten Praktikum (Gruppen MBL und MBS) haben einen höheren Wissenszuwachs als Studierende im traditionellen Praktikum (Gruppe TRAD). (b) Der Einsatz eines Modellbildungssystems im Praktikum (Gruppe MBS) führt zu einem höheren Wissenszuwachs der Studierenden als der Einsatz des Computers nur zur Messwerterfassung (Gruppe MBL). Aufbau des Kapitels Zunächst wird Hypothese (2) varianzanalytisch überprüft (Abschnitt 11-2). Es wird also untersucht, ob bezüglich des Wissenszuwachses Unterschiede zwischen den Gruppen KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE116 TRAD, MBL und MBS bestehen. Dabei werden sowohl der gesamte Wissenszuwachs auch der Wissenszuwachs in den einzelnen Bereichen des Referenznetzes (siehe Kap. 10) betrachtet. Anschließend werden die Ergebnisse der Begriffsnetze mit den Ergeb- nissen der Videoanalyse in Verbindung gebracht. Hierfür werden, unter anderem, die Datensätze miteinander korreliert. Über die Überprüfung von Hypothese (2) hinaus lassen sich mit qualitativen Betrach- tungen Ergebnisse erhalten, die zu einem besseren Verständnis des Wissenserwerbs im Praktikum beitragen. Diese Ergebnisse sind in Abschnitt 11-4 des Kapitels dargestellt. Es werden Unterschiede im Wissenszuwachs zwischen einzelnen Vpn untersucht, und welche Propositionen des Referenznetzes besonders häufig im Wissenszuwachs der Studierenden enthalten sind. Damit lässt sich das experimentelle und physikalische Wissen beschreiben, das typischerweise mit der Durchführung des Praktikumsexperi- ments erworben wird. 11-2 VARIANZANALYTISCHE AUSWERTUNG Da man davon ausgehen muss, dass das Vorwissen einen Einfluss auf das Lernen und damit den Wissenszuwachs hat (Kap. 4), wird es in der Analyse berücksichtigt. Das Vorwissen zum Themenbereich des Praktikumsversuchs wurde in der vorliegenden Untersuchung jeweils mit dem ersten Begriffsnetz einer Vpn erhoben. Zur Überprüfung von Hypothese (2) werden die Begriffsnetze durch eine mehrfakto- rielle Varianzanalyse mit Messwiederholung (MANOVA) ausgewertet (z.B. BORTZ 1985). Nach O’BRIEN und KAISER (1985) ist dieses Verfahren für Designs wie das der vorlie- genden Untersuchung gut geeignet. Getestet wird die Veränderung der Zahl der Beg- riffsnetzverbindungen nach der Durchführung des Praktikumsexperiments im Ver- gleich zu vorher (Faktor Zeit), sowie der Einfluss der Art der Lernumgebung (Faktor Gruppe) und die Interaktion zwischen beiden Faktoren (Interaktion Gruppe x Zeit). Bei Zutreffen von Hypothese (2) sind folgende Ergebnisse zu erwarten:  Trifft die Hypothese zu, dass ein Wissenserwerb stattfindet, ist ein Haupteffekt Zeit zu erwarten. Das würde bedeuten, dass das Wissen zum Themenbereich des Prakti- kumsexperiments nach Durchführung des Experiments in allen drei Gruppen signi- fikant höher ist als vor Durchführung des Experiments.  Treffen die Hypothesen (2a) bzw. (2b) zu, ist eine signifikante Interaktion Gruppe x Zeit zu erwarten. Das würde bedeuten, dass die Veränderung von vorher (Vormap) zu nachher (Nachmap) für mindestens eine der Gruppen TRAD (traditionelles Praktikum), MBL (computergestützte Messwerterfassung) und MBS (Messwerter- fassung und Modellbildungssystem) signifikant verschieden von einer anderen Gruppe ausfällt. Die Varianzanalyse wird zunächst für das Gesamtwissen (die Gesamtzahl der Begriffs- netzverbindungen einer Vpn), und anschließend für die verschiedenen Bereiche des Referenznetzes durchgeführt. Als Prüfgrößen werden die üblichen F-Werte verwendet. Die Mittelwerte und Standardabweichungen der Verbindungszahlen vor und nach 11-2 VARIANZANALYTISCHE AUSWERTUNG 117 Durchführung des Praktikumsexperiments werden tabellarisch und graphisch darge- stellt. In den Graphen wird jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Standard- abweichungen verzichtet. Zusätzlich zu den Graphen sind jeweils Varianzanalysetabel- len aufgeführt, welche die F-Werte (F), die zugehörigen Freiheitsgrade (df) und die errechneten Irrtumswahrscheinlichkeiten (p) der Effekte enthalten. Beim Auftreten signifikanter Unterschiede zwischen den drei Gruppen werden, wie in Kapitel 9, Post- Hoc-Tests nach Scheffé gerechnet, um zu lokalisieren, welche Einzelgruppen sich signi- fikant unterscheiden. Die Ergebnisse dieser Tests sind jeweils im Text beschrieben. Analyse des Gesamtwissens Tabelle 11.1-2 zeigt die Ergebnisse der Varianzanalyse des Gesamtwissens der Vpn. Da- nach führt, unabhängig von der Gruppe, die Durchführung des Praktikumsexperiments zu einem signifikanten Wissenszuwachs der Studierenden (Haupteffekt Zeit). Vormap Nachmap M SD M SD TRAD 51,1 12,2 68,9 15,4 MBL 73,2 16,2 96,0 18,5 MBS 66,2 9,5 84,8 17,8 Tabelle 11.1-1: Mittelwerte (M) und Standardabweichungen (SD) der Gesamt- Verbindungszahlen der Vor- und Nachmaps für die Gruppen TRAD, MBL und MBS. EFFEKT DF F P Messwiederholung (Zeit) (1;15) 74.32 .000 Gruppe (2;15) 4.45 .030 Gruppe x Zeit (2;15) .44 .652 Tabelle 11.1-2: Ergebnisse der Varianzanalyse der Gesamt-Verbindungszahlen der Beg- riffsnetze. Tabelle 11.1-2 zeigt ferner einen signifikanten Haupteffekt Gruppe. Das bedeutet, dass ein überzufälliger Unterschied zwischen den Verbindungszahlen der Vpn aus verschie- denen Vergleichsgruppen besteht. Die Post-Hoc-Tests zeigen, dass sich die Gruppen TRAD und MBL signifikant in den Verbindungszahlen des Vormaps und des Nachmaps unterscheiden (jeweils p<0.05). Der Unterschied besteht demnach schon vor Durch- führung des Praktikumsversuchs. Auch in der Gruppe MBS liegen die Verbindungs- zahlen deutlich höher als in der Gruppe TRAD (Abb. 11.1). Die Unterschiede TRAD- MBS und MBL-MBS sind allerdings nicht signifikant. Die Vergleichsgruppen sind also nicht homogen bezüglich des Vorwissens. Der Grund für diese ungleiche Verteilung liegt in den Problemen bei der Auswahl der Probanden (siehe Kap. 7-2, S. 49). Ein Teil der Vpn nahm nur unter der Bedingung an der Unter- KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE118 suchung teil, mit dem Computer arbeiten zu können. Diese Vpn mussten den „compu- tergestützten“ Gruppen zugewiesen werden. Offenbar befinden sich dadurch in diesen Gruppen, und insbesondere in der Gruppe MBL, mehr Vpn mit hohem Vorwissen als in der „traditionellen“ Gruppe. Abbildung 11.1: Mittlere Gesamt-Verbindungszahlen der Begriffsnetze vor und nach Durchführung des Praktikumsexperiments für die Gruppen TRAD, MBL und MBS. Das Ergebnis der Varianzanalyse zeigt keine signifikante Interaktion zwischen den Faktoren Gruppe und Zeit. Demnach müssen, zumindest bezüglich des Gesamtwissens, die Hypothesen (2a) und (2b) verworfen werden. Die Verschiedenheit der drei Lern- umgebungen führt nicht zu nachweisbaren Unterschieden im Wissenszuwachs zwi- schen den drei Gruppen. Wegen der Vorwissensunterschiede ist das Ergebnis allerdings nicht eindeutig. Geht man davon aus, dass das Vorwissen das Lernen beeinflusst, ist es auch möglich, dass die erwartete Interaktion Gruppe x Zeit durch Vorwissenseffekte überdeckt wird. Auf diese Problematik wird weiter unten genauer eingegangen (siehe S. 121). Analyse des Wissens in den Referenznetzbereichen Bisher wurden nur die Gesamt-Verbindungszahlen der Begriffsnetze betrachtet. Nun wird untersucht, inwieweit die gefundenen Ergebnisse auch für die einzelnen Bereiche des Referenznetzes zutreffen. Wie in Kapitel 10 beschrieben, werden, entsprechend dem Vorgehen bei der Videoanalyse, die folgenden Referenznetzbereiche betrachtet:  Keiner der Inhaltsbereiche Messung oder Physik (Abkürzung: ‘Kein‘)  Inhaltsbereich Messung (’Messung‘)  Inhaltsbereich Physik (‘Physik‘)  Deskriptive kognitive Ebene im Inhaltsbereich Physik (‘deskriptiv‘)  Abstrakte kognitive Ebene im Inhaltsbereich Physik (physikalische Theorie) (‘abs- trakt‘) 45 55 65 75 85 95 vor nach Zeit An za hl Ve rb ind un ge n TRAD MBL MBS 11-2 VARIANZANALYTISCHE AUSWERTUNG 119 Für jeden dieser Referenznetzbereiche wird eine MANOVA (s.o.) gerechnet. Die Mittel- werte und Standardabweichungen sind in Tabelle 11.2-1 bzw. in Abb. 11.2 (übernächste Seite) dargestellt. Die Ergebnisse der Varianzanalysen sind in Tabelle 11.2-2 (nächste Seite) zusammengefasst. Nach Tabelle 11.2-2 ist nur der Haupteffekt Zeit in allen Referenznetzbereichen statis- tisch signifikant. Die Durchführung des Praktikumsexperiments führt also, unabhängig von der Gruppe, sowohl in den verschiedenen Inhaltsbereichen als auch bezüglich der beiden kognitiven Ebenen zu einem signifikanten Wissenszuwachs der Studierenden. In keinem der Referenznetzbereiche tritt eine signifikante Interaktion Gruppe x Zeit auf. Demnach führt der Computereinsatz im Praktikum weder in einem der betrachte- ten Inhaltsbereiche noch bezüglich einer der beiden kognitiven Ebenen zu einem höhe- ren Wissenszuwachs, verglichen mit dem traditionellen Praktikum. Die Hypothesen (2a) und (2b) müssen damit endgültig verworfen werden. Vormap Nachmap Bereich M SD M SD TRAD 3,0 1,8 4,8 2,2 MBL 5,0 1,7 7,2 2,5Kein MBS 4,5 3,2 6,7 2,2 TRAD 13,0 3,0 22,4 7,4 MBL 20,0 6,3 34,0 10,1Messung MBS 15,5 6,3 23,0 9,9 TRAD 46,0 11,8 61,0 14,0 MBL 65,3 16,6 81,3 18,5Physik MBS 58,8 6,2 73,4 14,2 TRAD 25,0 3,4 29,6 4,2 MBL 27,6 6,6 34,8 7,4 deskriptive kognitive Ebene MBS 27,1 3,7 31,5 4,8 TRAD 21,0 8,6 31,4 10,2 MBL 37,8 10,8 46,5 11,9 abstrakte kognitive Ebene MBS 31,8 4,6 41,9 10,9 Tabelle 11.2-1: Mittelwerte (M) und Standardabweichungen (SD) der Verbindungszahlen der Vor- und Nachmaps für die Gruppen TRAD, MBL und MBS in den verschiedenen Refe- renznetzbereichen. KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE120 BEREICH EFFEKT DF F P Messwiederholung (Zeit) (1;15) 30.22 .000 Gruppe (2;15) 2.36 .128Kein Gruppe x Zeit (2;15) 2.01 .668 Messwiederholung (Zeit) (1;15) 35.68 .000 Gruppe (2;15) 3.42 .060Messung Gruppe x Zeit (2;15) 1.25 .315 Messwiederholung (Zeit) (1;15) 63.43 .000 Gruppe (2;15) 3.31 .065Physik Gruppe x Zeit (2;15) 1.59 .953 Messwiederholung (Zeit) (1;15) 63.74 .000 Gruppe (2;15) .91 .425 deskriptive kognitive Ebene Gruppe x Zeit (2;15) 1.83 .194 Messwiederholung (Zeit) (1;15) 53.45 .000 Gruppe (2;15) 4.46 .030 abstrakte kognitive Ebene Gruppe x Zeit (2;15) 2.42 .862 Tabelle 11.2-2: Ergebnisse der Varianzanalysen der Verbindungszahlen in den verschie- denen Referenznetzbereichen. Ein signifikanter Haupteffekt Gruppe tritt nur bezüglich der abstrakten kognitiven Ebene (physikalische Theorie) auf (Tab. 11.2-2). Die Post-Hoc-Tests ergeben, entspre- chend den Ergebnissen zum Gesamtwissen, dass sich in diesem Referenznetzbereich die Verbindungszahlen der Vormaps der Gruppen TRAD und MBL signifikant unter- scheiden. Abbildung 11.2 zeigt ferner, dass, obwohl die Unterschiede nicht signifikant sind, in allen Referenznetzbereichen die Verbindungszahlen der Vormaps in der Grup- pe MBL höher liegen als in der Gruppe TRAD. Die bei der Analyse des Gesamtwissens gefundenen Vorwissensunterschiede zwischen diesen beiden Gruppen lassen sich also nicht allein auf Unterschiede in einem bestimmten Referenznetzbereich zurückführen. 11-2 VARIANZANALYTISCHE AUSWERTUNG 121 Abbildung 11.2: Verbindungszahlen in den Referenznetzbereichen vor und nach Durch- führung des Praktikumsexperiments für die Gruppen TRAD, MBL und MBS. Zur Rolle des Vorwissens Für eine nähere Untersuchung des Einflusses des Vorwissens müssten in jeder Gruppe die Vpn nach Zahl der Propositionen im Vormap in mindestens zwei Gruppen eingeteilt werden. Da sich jedoch in jeder Gruppe nur 6 Vpn befinden, ist ein solches Vorgehen nicht sinnvoll. Es muss daher aufgrund der vorliegenden Analyseergebnisse auf die Rolle des Vorwissens geschlossen werden. In Abbildung 11.2 fällt auf, dass, obwohl keine statistisch signifikanten Interaktionen Gruppe x Zeit auftreten, in einigen Referenznetzbereichen der Wissenszuwachs in der Gruppe MBL höher ausfällt als in den Gruppen TRAD und MBS. Dies ist im Inhaltsbe- Inhaltsbereich Messung 5 15 25 35 vor nach An za hl Ve rb ind un ge n TRAD MBL MBS Deskriptive kognitive Ebene 20 25 30 35 40 vor nach An za hl Ve rb ind un ge n TRAD MBL MBS Inhaltsbereich Physik 40 50 60 70 80 90 vor nach An za hl Ve rb ind un ge n TRAD MBL MBS Abstrakte kognitive Ebene 15 20 25 30 35 40 45 50 vor nach An za hl Ve rb ind un ge n TRAD MBL MBS Keiner der Inhaltsbereiche Messung oder Physik 2 3 4 5 6 7 8 vor nach An za hl Ve rb ind un ge n TRAD MBL MBS KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE122 reich Messung, sowie bezüglich der deskriptiven kognitiven Ebene der Fall. In der Gruppe MBL befinden sich auch die Vpn mit dem durchschnittlich höchsten Vorwissen (s.o.). Daher liegt die Vermutung nahe, dass dieser Effekt auf den Einfluss des Vorwis- sens zurückzuführen ist. Die Vermutung wird dadurch gestützt, dass, wie die Gesamt- heit der Ergebnisse zeigt, ein Einfluss der Lernumgebung auf den Wissenszuwachs nicht vorzuliegen scheint: Nach den Betrachtungen im theoretischen Teil der Arbeit (Kap. 3) und nach den Ergebnissen der Videoanalyse ist zu vermuten, dass, zumindest im Inhaltsbereich Physik, der Einsatz des Modellbildungssystems zu einem höheren Wissenszuwachs führt (vgl. Hypothese 2b). Es ist deshalb äußerst unwahrscheinlich, dass die Lernumgebung in der Gruppe MBL (kein Modellbildungssystem) einen positi- ven Einfluss auf den Wissenserwerb hat, nicht aber in der Gruppe MBS (Modellbil- dungssystem). Es kann darum vermutet werden, dass ein hohes Vorwissen der Studierenden zum Themenbereich des Praktikumsexperiments einen positiven Einfluss auf den mit der Durchführung des Praktikumsexperiments verbundenen Wissenserwerb hat. 11-3 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN PRAKTIKUMSARBEIT UND WISSENSERWERB Da Wissen auch das Handeln beeinflusst (siehe Kap. 4), stellt sich die Frage, ob die Vorwissensunterschiede sich auch auf die Ergebnisse der Videoanalyse (Kap. 9) aus- wirken. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass dies nicht der Fall ist, da sich fast alle in Kapitel 9 dargestellten Ergebnisse in eindeutiger Weise auf den Einfluss der Lernumgebung zurückführen lassen. Nur in einem Punkt ist dies nicht möglich: In der Gruppe MBL (hohes Vorwissen) tre- ten signifikant häufiger messbezogene Sprechhandlungen während der Praktikumsar- beit auf als in den Gruppen TRAD und MBS (siehe Kap. 9-3, S. 81 bzw. Kap. 9-4, S. 87). Das bedeutet, dass sich die Sprechhandlungen dieser Studierenden sehr häufig auf die Fragen „Wie gelangt man zu gültigen Messergebnissen?“ bzw. „Wie werden die physi- kalischen Größen gemessen?“ beziehen. Dieser Effekt konnte in Kapitel 9 nicht plausi- bel erklärt werden, da er sich nicht auf die Art der Lernumgebung zurückführen lässt. Die Ergebnisse der Begriffsnetzanalyse deuten darauf hin, dass der Befund mit dem Vorwissen der Studierenden zusammenhängt. HALLER (1999) findet mit einer qualitativen Untersuchung einen vergleichbaren Zu- sammenhang zwischen Wissen und Handeln im Praktikum. Sie beobachtet, dass Stu- dierende, die qualitativ bessere Concept Maps produzieren als andere Studierende, auch ihre Handlungen während der Praktikumsarbeit anders regulieren. Unter ande- rem überprüfen sie, im Gegensatz zu anderen Studierenden, ihre Messungen rechne- risch. Der Vermutung, dass allein Vorwissensunterschiede die Ursache für diese Befunde sind, widerspricht allerdings, dass nach den Ergebnissen der Begriffsnetzanalyse die Vorwissensunterschiede gerade im Inhaltsbereich Messung eher gering sind, während sie z.B. im physikalisch-theoretischen Wissensbereich wesentlich deutlicher ausfallen (Abb. 11.2). Es ist darum unwahrscheinlich, dass das hohe Vorwissen der Vpn der 11-2 VARIANZANALYTISCHE AUSWERTUNG 123 Gruppe MBL die alleinige Ursache für den hohen Anteil messbezogener Sprechhand- lungen während der Praktikumsarbeit ist. Um den postulierten Zusammenhang zu erklären, muss daher angenommen werden, dass es noch eine weitere Variable gibt, die sich sowohl in der Zahl der Begriffsnetzver- bindungen als auch im Anteil messbezogener Sprechhandlungen an der Praktikumszeit niederschlägt. Eine solche Variable könnte die Einstellung zum oder das Interesse am Praktikum, und das damit verbundene Engagement der Studierenden, sein. Auch moti- vationale Aspekte könnten eine Rolle spielen. Es kann zum Beispiel vermutet werden, dass Studierende mit einer positiven Einstellung zum Praktikum, oder einer hohen Motivation, engagierter sind als Studierende mit einer negativen Einstellung oder ge- ringen Motivation. Ein zusätzlicher Hinweis auf einen solchen Zusammenhang ist die Tatsache, dass sich gerade in den „computergestützten“ Gruppen MBL und MBS die Vpn mit dem höchsten Vorwissen befinden (Abb. 11.2). Wie oben beschrieben (S. 117) haben sich die meisten dieser Studierenden zur Teilnahme an der Untersuchung gemeldet, weil sie unbedingt mit dem Computer arbeiten wollten, was auf ein besonderes Interesse bzw. eine hohe Motivation hindeutet (vgl. Kap. 7-2 bzw. 7-5). Dies könnte sich sowohl auf die Ver- suchsvorbereitung der Studierenden, und auf das mit den Begriffsnetzen erfasste Vor- wissen, als auch auf die Handlungsregulation der Studierenden während der Prakti- kumsarbeit positiv auswirken. Berücksichtigt man ferner, dass, wie die Ergebnisse der Videoanalyse zeigen, das Aufnehmen von Messwerten im Mittelpunkt der Praktikum- sarbeit steht (siehe Kap. 9), wird auch plausibel, dass sich ein höheres Engagement der Studierenden in den messbezogenen Sprechhandlungen niederschlägt. Korrelation von Video- und Begriffsnetzdaten Mit der Videoanalyse (siehe Kap. 9) konnte gezeigt werden, dass die Vpn der Gruppe MBS ihre Handlungen wesentlich häufiger auf der abstrakten kognitiven Ebene (physi- kalisch-theoriegeleitet) regulieren als die Vpn der Gruppen TRAD und MBL. Dieser Unterschied schlägt sich nicht in einem höheren Wissenszuwachs der Vpn der Gruppe MBS im Bereich physikalischer Theorie nieder. Die Ergebnisse der Varianzanalyse der Begriffsnetze (Abschnitt 11-2) widersprechen daher der Vermutung, dass Studierende, die sich während der Versuchsdurchführung mehr mit physikalischer Theorie befassen als andere Studierende, auch einen höheren Wissenszuwachs in diesem Bereich haben. Zur Auswertung sowohl der Videoaufzeichnungen als auch der Begriffsnetze werden die gleichen, aus theoretischen Überlegungen abgeleiteten Kategorien benutzt (siehe Kap. 10). Zur genaueren Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den Handlungen der Studierenden während der Praktikumsarbeit und ihrem Lernerfolg lassen sich darum beide Datensätze miteinander korrelieren. Als Maß für den Lernerfolg werden dabei die gewichteten Zuwächse der Begriffsnetz- verbindungen betrachtet (Formel 11.1), da die Zahl der Verbindungen wegen der be- schränkten Anzahl der zum Versuch gehörigen Objekte und Messungen, sowie durch den eingegrenzten physikalischen Themenbereich, begrenzt ist. KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE124 Formel 11.1: Gewichteter Zuwachs (Z) der Begriffsnetzverbindungen einer Vpn. Es er- geben sich Prozentwerte. 100% entspricht dem maximal möglichen Zuwachs, bezogen auf das Referenznetz. Tabelle 11.3 zeigt, wie die Anteile der verschiedenen handlungsleitenden Kognitionen an der Praktikumszeit mit den Wissenszuwächsen in den verschiedenen Referenznetz- bereichen korrelieren. Es werden also die Daten aus den Tabellen 9.4 (S. 81) und 9.6 (S. 84) mit den Daten aus Tabelle 11.2-1 (S. 119) korreliert. REFERENZNETZBEREICHE Kein Messung Physik deskript. abstrakt gesamt x -.17 .00 -.19 -.06 -.23 -.19 Kein -.47 .33 -.16 -.06 -.18 -.11 Messung .48 .18 .38 .42 .30 .42 Physik .13 -.49 -.08 -.36 .06 -.17 deskript. .10 -.38 -.20 -.25 -.14 -.22 Inh alt sbe rei ch e/K og nit ive Eb en en d. Pr ak tik um sar be it abstrakt .14 -.47 .08 -.37 .29 -.04 Tabelle 11.3: Korrelationskoeffizienten der Anteile der verschiedenen Sprechhandlun- gen der Vpn an der Praktikumszeit (siehe Kap. 9) mit dem Wissenszuwachs der Vpn in den verschiedenen Referenznetzbereichen. Keine der Korrelationen ist statistisch signi- fikant. Keiner der Korrelationskoeffizienten in Tabelle 11.3 ist statistisch signifikant. Wie die Ergebnisse der Varianzanalyse bereits vermuten ließen (s.o.), besteht also kein direkter Zusammenhang zwischen der Handlungsregulation während der Praktikumsarbeit und dem Lernerfolg. Das widerspricht der Annahme, dass bestimmte Handlungsweisen während der Prakti- kumsarbeit, die durch die Lernumgebung gefördert werden, zu bestimmten Lerneffek- ten führen. Dabei handelt es sich um eine Grundannahme der vorliegenden Untersu- chung (vgl. Kap. 6-2, S. 37): Es wird davon ausgegangen, dass die Auseinandersetzung mit physikalischen Konzepten während der Praktikumsarbeit Voraussetzung für Phy- siklernen ist. Diese Annahme scheint nicht zuzutreffen. Die Ergebnisse deuten vielmehr darauf hin, dass das Lernen im Praktikum von der eigentlichen Praktikumsarbeit (der Handlungsregulation) unabhängig ist. In Tabelle 11.3 liegt, obgleich keine der Korrelationen signifikant ist, bezüglich des An- teils messbezogener Sprechhandlungen an der Praktikumszeit eine auffällige Systema- tik vor (dritte Zeile von Tabelle 11.3): Es ist die einzige Variable, die deutlich und positiv mit dem Gesamt-Wissenszuwachs korreliert. Sie korreliert außerdem positiv mit dem )()( )()( vormapNtzreferenzneN vormapNnachmapNZ    11-4 QUALITATIVE AUSWERTUNG 125 Wissenszuwachs in allen Referenznetzbereichen. Damit wird die oben beschriebene Vermutung erhärtet, dass ein indirekter Zusammenhang zwischen dem in den Begriffs- netzen dargestellten Wissen der Studierenden und der Häufigkeit ihrer messbezogenen Sprechhandlungen während der Praktikumsarbeit besteht. Offenbar haben die Studie- renden, deren Sprechhandlungen während der Praktikumsarbeit sich am häufigsten auf den Inhaltsbereich Messung beziehen, auch den höchsten Wissenszuwachs. Es sind auch die Studierenden mit dem durchschnittlich höchsten Vorwissen (s.o.). 11-4 QUALITATIVE AUSWERTUNG Mit den Varianzanalysen in Abschnitt 11-2 wurde untersucht, ob zwischen den drei Vpn-Gruppen Unterschiede im Wissen vor und nach Durchführung des Praktikumsex- periments bestehen. Weitere Erkenntnisse über das durch die Durchführung des Prak- tikumsexperiments erworbene Wissen lassen sich mit qualitativen Betrachtungen der Begriffsnetze gewinnen. Es wird hierfür nicht mehr zwischen den Gruppen TRAD, MBL und MBS unterschieden, da die statistische Auswertung keine signifikanten Effekte er- gab, die dies notwendig machen (s.o.). Es gibt insgesamt vier wichtige Beobachtungen bei der Analyse der Begriffsnetze, auf die in diesem Abschnitt genauer eingegangen wird. Alle Befunde lassen sich, wie im Folgenden gezeigt wird, mit der Rolle der Versuchsanleitung in Zusammenhang brin- gen oder erklären: (1) Die vor der Versuchsdurchführung erhobenen Begriffsnetze (Vormaps) sind zum Teil bereits sehr umfangreich und detailliert. (2) Im Gegensatz dazu fällt der Wissenszuwachs (der Lernerfolg) im Durchschnitt rela- tiv gering aus. Es gibt allerdings Studierende, die einen sehr viel höheren Wissens- zuwachs haben als andere. (3) Es gibt bestimmte Wissenselemente (Propositionen), die häufiger als andere Wis- senselemente mit der Durchführung des Praktikumsexperiments von den Studie- renden gelernt werden. (4) Es gibt Fehlvorstellungen bzw. Missverständnisse, die sowohl vor als auch nach der Versuchsdurchführung in den Begriffsnetzen auftreten. (1) Umfang der Vormaps Die meisten Vpn geben bereits in den vor der Versuchsdurchführung erhobenen Beg- riffsnetzen eine sehr detaillierte und umfassende Darstellung der physikalischen Theo- rie des Experiments, der Messverfahren und der Versuchsergebnisse. Im Durchschnitt enthalten die Vormaps 32% der Verbindungen des Referenznetzes. Der kleinste Wert liegt bei 22% (43 Verbindungen), der höchste bei 48% (94 Verbindungen), also fast der Hälfte der Propositionen des Referenznetzes. Der hohe Kenntnisstand über den Ver- suchsaufbau und -ablauf bereits vor der Durchführung des Experiments wird durch die Versuchsanleitung ermöglicht. Die Studierenden bereiten sich in der Regel ausschließ- lich anhand der Anleitung auf den Versuch vor. Fast alle Begriffsnetzverbindungen fin- KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE126 den sich daher in der Versuchsanleitung wieder (vgl. Kap. 10-3, S. 107). Nur wenige Vpn äußern Begriffe oder Zusammenhänge, die nicht in der Versuchsanleitung enthal- ten sind. Wäre die Anleitung weniger detailliert und ausführlich, so wären die Verbin- dungszahlen der Vormaps vermutlich niedriger. Hier liegt möglicherweise eine Erklärung für den Befund, dass die Begriffsnetze der Gruppe MBS (Modellbildungssystem) keinen höheren Wissenszuwachs im physikali- schen Bereich zeigen als die Begriffsnetze der Gruppen TRAD und MBL (s.o.). Dies wä- re eigentlich zu erwarten gewesen, da die Vpn der Gruppe MBS sich durch das Modell- bildungssystem wesentlich häufiger mit den physikalischen Zusammenhängen des Experiments befassen (siehe Kap. 9). Dabei wenden die Studierenden ihr physikali- sches Wissen an. Da die physikalischen Zusammenhänge aber bereits in der Versuchs- anleitung ausführlich erläutert sind, waren sie, wie sich in den Begriffsnetzen erkennen lässt, schon vorher in der Lage, diese darzustellen. Die Versuchsanleitung scheint also einem aktiven Erwerb neuen Wissens durch die Praktikumsarbeit vorzugreifen. (2) Höhe des Wissenszuwachses Mit der Videoanalyse wurde gezeigt, dass während der Praktikumsarbeit die hand- lungsleitenden Kognitionen der Studierenden wesentlich häufiger dem Inhaltsbereich Messung als dem Inhaltsbereich Physik zuzuordnen sind. Zudem findet die Handlungs- regulation bei der Praktikumsarbeit nur sehr selten auf der abstrakten kognitiven Ebe- ne statt. Am Ende von Kapitel 9 wurde daher postuliert, dass der Wissenszuwachs im physikalischen Bereich, und insbesondere bezüglich physikalischer Theorie, geringer ausfällt als im messbezogenen Bereich. Abbildung 11.3 zeigt, gemittelt über alle 18 Vpn, den gewichteten Zuwachs (s.o.) in den verschiedenen Inhaltsbereichen, sowie bezüglich der deskriptiven und abstrakten kog- nitiven Ebene. Danach ist der Zuwachs an Verbindungen in allen Bereichen des Refe- renznetzes etwa gleich groß. Dieser Befund bestätigt somit die Ergebnisse des vorher- gehenden Abschnitts (11-3), nach denen kein direkter Zusammenhang zwischen Praktikumsarbeit und Wissenserwerb besteht. Aus Abbildung 11.3 wird ferner deutlich, dass der mit der Durchführung des Prakti- kumsexperiments verbundene Wissenszuwachs im Durchschnitt eher gering ausfällt. Er liegt zwischen 13% und 18% (Mittelwert: 15,2%) des in den Referenznetzbereichen jeweils möglichen Zuwachses. Bezieht man dies auf die obige Feststellung, dass die Vormaps der Studierenden bereits relativ umfangreich sind, so liegt die Vermutung na- he, dass die Studierenden mehr neues Wissen durch die Vorbereitung anhand der Ver- suchsanleitung erwerben als durch die eigentliche Versuchsdurchführung. Wie sich weiter unten zeigen wird, gibt es hierfür weitere Anhaltspunkte. 11-4 QUALITATIVE AUSWERTUNG 127 Abbildung 11.3: Durchschnittlicher gewichteter Wissenszuwachs in den verschiedenen Inhaltsbereichen und bezüglich der deskriptiven und abstrakten kognitiven Ebene (N=18). Neben dem durchschnittlichen Wissenszuwachs ist es aufschlussreich, die Extremwerte zu betrachten. In Abbildung 11.4 sind die Wissenszuwächse für die einzelnen Studie- renden dargestellt. Dabei fällt zum einen auf, dass es mehrere Vpn mit einem sehr geringen Wissenszu- wachs gibt. Ein Zuwachs unter 10% bedeutet, dass weniger als 10 Verbindungen zum Vormap hinzukommen. In einem Fall sind es sogar nur 4 Verbindungen (3,1%). Ande- rerseits gibt es mehrere Vpn mit einem relativ hohen Wissenszuwachs. Ein Zuwachs über 20% bedeutet, dass mehr als 28 Verbindungen zum Vormap hinzukommen. In einem Fall sind es 38 Verbindungen (29,9%). Abbildung 11.4: Wissenszuwächse der einzelnen Studierenden (in alphabetischer Ord- nung). 0% 10% 20% 30% Kein Messung Physik deskriptiv abstrakt Referenznetzbereiche Ge wi ch te te r W iss en szu wa ch s 4,6% 6,3% 25,8% 10,7% 21,7% 15,8% 23,3% 17,8% 3,1% 13,3% 29,9% 4,9% 16,9% 15,1% 10,6% 15,9% 23,3% 0% 10% 20% 30% Versuchspersonen Ge wi ch tet er Wi sse ns zu wa ch s KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE128 Einige der Vpn scheinen also durch die Durchführung des Praktikumsexperiments fast überhaupt kein physikalisches und experimentelles Wissen zu erwerben, während bei anderen Vpn ein deutlicher Lernerfolg zu beobachten ist. Wie oben gezeigt (Abschnitt 11-2), lassen sich die Unterschiede im Wissenserwerb nicht auf die unterschiedlichen Lernbedingungen zurückführen. Die großen Unterschiede zwischen einzelnen Vpn müssen ihre Ursache daher in den individuellen Voraussetzungen der Studierenden haben. Es gibt zwei Erklärungsansätze. Einer bezieht sich auf den kognitiven, der zweite auf den affektiven Bereich: (1) Unterschiedliches Vorwissen führt zu unterschiedlich hohem Wissenszuwachs. (2) Es gibt noch andere Einflussfaktoren, die mit der Analyse der Videoaufzeichnungen und mit den Begriffsnetzen nicht erfasst werden. Dies könnten, wie oben bereits vermutet, die Einstellung oder das Interesse der Studierenden, oder motivationale Faktoren sein. Beispielsweise ist vorstellbar, dass besonders motivierte Studieren- den sich über die „minimale“ Praktikumsarbeit hinaus mit dem Versuchsthema be- fassen und daher mehr neues Wissen erwerben als weniger motivierte Studierende. Möglicherweise gibt es auch Interaktionen zwischen kognitiven und affektiven Ein- flussfaktoren. Dies ist sogar wahrscheinlich, wenn man die im vorhergehenden Ab- schnitt beschriebenen Befunde berücksichtigt (Abschnitte 11-2 u. 11-3, S. 122). Dort wird zum einen ein Zusammenhang zwischen Vorwissen und Wissenserwerb beschrie- ben. Zum anderen ist hohes Vorwissen aber vermutlich nicht die alleinige Ursache für einen hohen Wissenserwerb. So kann man davon ausgehen, dass motivierte Studieren- den sich intensiver vorbereiten und daher mehr Vorwissen haben. Durch die großen Unterschiede im Lernerfolg zwischen einzelnen Vpn verstärkt sich al- so der Eindruck, dass die individuellen Voraussetzungen der Studierenden, insbeson- dere affektive Variablen, eine wichtige Rolle beim Lernen im Praktikum spielen. (3) Häufigkeit einzelner Propositionen Die Häufigkeit, mit der die einzelnen Verbindungen des Referenznetzes als Wissenszu- wachs auftreten, wurde bestimmt. Die meisten der 195 Verbindungen des Referenznet- zes treten bei nur einer oder zwei Vpn als Wissenszuwachs auf. Es gibt aber bestimmte Verbindungen, bei denen dies häufiger der Fall ist. In Tabelle 11.4 sind Verbindungen aufgeführt, die bei mindestens vier Vpn im Vormap fehlen, aber im Nachmap enthalten sind. Die meisten der in Tabelle 11.4 aufgeführten Verbindungen hängen inhaltlich zusam- men. Diese Verbindungen sind in der Tabelle gruppiert. Es gibt zwei Hauptgruppen:  Zum einen handelt es sich um Propositionen, die die Abhängigkeit von Amplitude und Phasenverschiebung von der Frequenz beschreiben (erste Gruppierung in Tab. 11.4). Dazu gehört z.B. das Auftreten eines Amplituden- bzw. Phasensprungs, die Abhängigkeit der Sprunghöhe von der Richtung der Frequenzänderung, und der Verlauf der Amplituden- bzw. Phasenkurve gegen Null und Unendlich. Es handelt sich hier um Wissenselemente, die zum zentralen physikalischen Inhalt des Prakti- kumsversuchs gehören (vgl. Kap. 7-1). Besonders häufig beziehen sich die Studie- 11-4 QUALITATIVE AUSWERTUNG 129 renden dabei auf das Verhalten der Phasenverschiebung. Das ist plausibel, denn über den Verlauf der Phase werden in der Versuchsanleitung fast keine Angaben gemacht. Im Gegensatz zur Amplitudenkurve, die in der Versuchsanleitung abgebil- det ist, müssen die Studierenden, um die Phasenkurve zu sehen, zuerst ihre Mes- sungen auswerten. BEGRIFF 1 VERBINDUNG BEGRIFF 2 N THEMA Sprung der  experimentelle Kurve 4 Sprungfrequenz des  Sprung 5 Sprungfrequenz abhängig von  Frequenzänderung 5 mehrere Werte gilt für  Phase 9 mehrere Werte gilt für  Amplitude 4 mehrere Werte bei  mittlere Frequenz 4 Null gilt für  Phase 8 Null bei  verschwind. Frequenz 7  gilt für  Phase 4  bei  unendliche Frequenz 5 A(0) = M(0) / (D-mgr) bei  verschwind. Frequenz 5 Verlauf Amplituden- und Phasenkurve  = 2  T/T errechnen  Phase 6  = 2  T/T errechnen  Zeitraum T 6 Zeitraum T errechnen  Nulldurchgang 6 Zeitraum T ablesen an  Computer 4 Nulldurchgang  bei Schwungscheibe 6 Lichtschranke bewirkt  Signal 4 Signal wirkt auf  Computer 4 Potentiometer  des Spannung 5 Messung der Phasenverschie- bung MD = -D  abhängig von  Federkonstante 4 MD = -D  abhängig von  Auslenkung 4  = R(I) / (2 0) errechnen  Steigung 4 Gesamtdrehmoment abhängig  MG = -mgr sin 4 M0 = D A0  errechnen Motordrehmoment 4 Tabelle 11.4: Verbindungen, die bei mehr als vier Vpn als Wissenszuwachs auftreten. Die letzte Spalte (N) zeigt an, wie häufig eine Verbindung im Vormap einer Vpn fehlt, aber im Nachmap enthalten ist. Verbindungen, die nicht durch eine Linie getrennt sind, hängen inhaltlich zusammen.  Zum anderen handelt es sich um Propositionen, die das Verfahren zur Messung der Phase beschreiben (zweite Gruppierung in Tab. 11.4). Dies lässt sich ebenfalls damit begründen, dass die Versuchsanleitung hier nur wenige Angaben macht. Zwar ist KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE130 der Versuchsaufbau in der Versuchsanleitung beschrieben, das genaue Vorgehen bei der Messung der Phasenverschiebung ist allerdings, ohne den realen Versuchsauf- bau gesehen oder an ihm gearbeitet zu haben, nur schwer verständlich. Die Studie- renden sind also erst nach der Versuchsdurchführung in der Lage, die Phasenmes- sung im Begriffsnetz zu beschreiben. Diese Ergebnisse belegen, dass der Versuchsanleitung nicht nur im Hinblick auf die Handlungsregulation während der Praktikumsarbeit eine zentrale Rolle zukommt (sie- he Kap. 9), sondern auch im Hinblick auf die Art und den Umfang des von den Studie- renden erworbenen Wissens. Mit der Durchführung des Praktikumsexperiments wird offenbar vor allem solches Wissen erworben, das sich nicht der Versuchsanleitung ent- nehmen lässt, oder das dort nicht ausreichend erklärt oder veranschaulicht wird. (4) Fehlvorstellungen Bei der Auswertung der anhand der Begriffsnetze geführten Interviews fällt auf, dass das Konzept der stationären Amplitude zu großer Verwirrung bei den Studierenden führt. Laut Versuchsanleitung (siehe Anhang) ist die stationäre Amplitude die Amplitu- de des Pendels, die sich nach Abklingen der Einschwingvorgänge nach der Vorgabe einer bestimmten Erregerfrequenz einstellt. Mehr als die Hälfte der Vpn benutzt das Konzept in den Begriffsnetzen falsch, und zwar sowohl vor als auch nach Durchführung des Praktikumsexperiments. Wahlweise werden die statische Amplitude (bei der Mes- sung der Federkonstanten), die Amplitude des Erregerdrehmoments, oder die Ampli- tude der harmonischen Schwingung als stationäre Amplitude bezeichnet. Die Studie- renden bedienen sich also eines Begriffs, den sie der Versuchsanleitung entnommen haben, dessen Bedeutung ihnen aber unklar ist. Die Durchführung des Praktikumsex- periments ändert daran nichts. Der Begriff stationäre Amplitude dient lediglich zur Bezeichnung eines bestimmten Phänomens. Es handelt sich außerdem um eine Einzelbeobachtung. Dennoch wird eine Gefahr deutlich, die mit der untersuchten Form des Praktikums verbunden ist: In der Versuchsanleitung ist auch der relativ komplexe, den meisten Vpn nach ihren Aussagen unbekannte, physikalisch-theoretische Hintergrund des Experiments beschrieben. Da- her besteht die Gefahr, dass die Studierenden Formulierungen der Versuchsanleitung auswendig lernen oder übernehmen, ohne die physikalischen Zusammenhänge zu ver- stehen (z. B. um das Kolloquium vor Versuchsbeginn zu bestehen). Weitere Beobachtungen stützen diese Hypothese. Die Mehrzahl der Vpn äußert in den Interviews, dass sie diesen Praktikumsversuch sehr interessant findet. Als Grund wer- den die für die Vpn neuen, nichtlinearen Effekte angegeben. Dabei sprechen die Studie- renden häufig von Fraktalen und Oberschwingungen (z.B.: „Mit Fraktalen habe ich mich früher schon mal aus Interesse beschäftigt, Apfelmännchen und so...“). Diese Phänomene werden zwar in der Versuchsanleitung erwähnt, sind aber nicht das eigent- liche Thema des Versuchs. Es gibt ferner eine Szene in einer Videoaufzeichnung, bei der die Studierenden nach dem abrupten Zusammenbruch der Schwingungsamplitude die Einschwingvorgänge auf dem Computerbildschirm beobachten. Angesichts der starken Schwankungen der Amplitude des Schwungrades sagt ein Student: „Au, das sind jetzt 11-5 ZUSAMMENFASSUNG 131 bestimmt die Oberschwingungen.“ Auch dieses Beispiel zeigt, dass die in der Versuchs- anleitung auftretenden Formulierungen als Etiketten für nicht verstandene Phänomene benutzt werden. Durch das Lesen der Anleitung werden Alltagsvorstellungen, die vor dem Versuch bereits länger bekannt aber undeutlich sind, nicht verändert. Die Gestal- tung des Praktikums führt außerdem nicht dazu, diese Konstruktionen am Experiment zu überprüfen: Wie die Ergebnisse der Videoanalyse zeigen, können die Studierenden den Versuch absolvieren, ohne physikalisch-theoretisches Wissen zur Handlungsregu- lation zu benutzen. Es ist daher wahrscheinlich, dass neben neu erworbenen Kenntnis- sen auch Fehlvorstellungen das Praktikum überdauern und sogar gefestigt werden. 11-5 ZUSAMMENFASSUNG In diesem Kapitel wurden die Ergebnisse der Begriffsnetzanalyse vorgestellt. Es wurde, anhand von Versuch II („Anharmonische Schwingungen“), Hypothese (2) überprüft, nach der der Umfang des mit der Durchführung eines Praktikumsexperiments erwor- benen physikalischen und experimentellen Wissens von der Art der Lernumgebung ab- hängt (siehe Anfang dieses Kapitels). Es konnte gezeigt werden, dass die Durchführung eines Praktikumsexperiments zu einem Wissenszuwachs der Studierenden im Themenbereich des Experiments führt. Die Hypothesen (2a) und (2b) mussten aber verworfen werden: Studierende, die das Experiment computerunterstützt durchführen, haben in keinem der Referenznetzberei- che einen höheren Wissenszuwachs als Studierende im traditionellen Praktikum. Das gilt auch für Studierende, die im Praktikum mit einem Modellbildungssystem arbeiten und sich daher häufiger mit den physikalischen Zusammenhängen des Experiments befassen (Gruppe MBS). Demnach hat die Art der Lernumgebung keinen Einfluss auf den Wissenserwerb in diesem Praktikumsversuch. Auch die Korrelation der Anteile der verschiedenen Sprechhandlungen an der Praktikumszeit mit den Wissenszuwächsen ergab keine signifikanten Zusammenhänge zwischen der Handlungsregulation der Stu- dierenden während der Praktikumsarbeit und dem Lernerfolg. Es muss daher vermutet werden, dass es weitere Faktoren gibt, die das Lernen im Praktikum beeinflussen. Es zeigt sich, dass die drei Gruppen nicht homogen bezüglich des Vorwissens sind. Dies hängt mit Problemen bei der Auswahl der Versuchspersonen zusammen, die dazu führten, dass ein signifikanter Vorwissensunterschied zwischen den Gruppen TRAD (traditionelles Praktikum; niedriges Vorwissen) und MBL (computergestützte Mess- werterfassung; hohes Vorwissen) besteht. Die Vorwissensunterschiede konnten mit ei- nem Befund aus der Videoanalyse in Verbindung gebracht werden, der sich in Kapitel 9 (Ergebnisse der Videoanalyse) nicht mit dem Einfluss der Lernumgebung erklären ließ. Es scheint demnach ein Zusammenhang zu bestehen zwischen dem Vorwissen, der Auseinandersetzung mit messbezogenen Inhalten während der Praktikumsarbeit und dem Wissenszuwachs. Des Weiteren scheinen einige der Vpn durch die Durchführung des Praktikumsexperi- ments fast überhaupt kein physikalisches und experimentelles Wissen zu erwerben, während bei anderen Vpn ein deutlicher Lernerfolg zu beobachten ist. Da dieser Befund KAPITEL 11: ERGEBNISSE DER BEGRIFFSNETZANALYSE132 unabhängig von der Art der Lernumgebung auftritt, muss angenommen werden, dass die individuellen Voraussetzungen der Studierenden der Grund für diese Unterschiede sind. Die Analyseergebnisse deuten daraufhin, dass neben den kognitiven Vorausset- zungen der Studierenden auch affektive Variablen wie die Einstellung zum Praktikum, das Interesse, oder motivationale Faktoren, eine bedeutende Rolle beim Lernen im Praktikum spielen. So kann man davon ausgehen, dass motivierte Studierende sich in- tensiver auf den Praktikumsversuch vorbereiten und daher mehr Vorwissen haben als andere. Sie zeigen auch während der Praktikumsarbeit mehr Engagement und erwer- ben mehr neues Wissen. In diesem Kapitel wurde außerdem gezeigt, dass die Versuchsanleitung eine zentrale Rolle für den Wissenserwerb im Praktikum spielt. Aufgrund der Anleitung sind die Studierenden in der Lage, bereits vor der Durchführung des Praktikumsexperiments eine ausführliche und detaillierte Beschreibung der physikalischen Theorie, des Ver- suchsaufbaus, der durchzuführenden Messungen und der Versuchsergebnisse zu geben. Der Wissenszuwachs fällt dagegen relativ gering aus (durchschnittlich rund 15% des möglichen Zuwachses, bezogen auf das Referenznetz). Es werden offenbar vor allem solche Wissenselemente erworben, die durch die Versuchsanleitung nicht ausreichend erklärt oder veranschaulicht werden. Einem aktiven Erwerb neuen Wissens durch die Praktikumsarbeit greift die Versuchsanleitung jedoch vor. Dies ist auch eine mögliche Erklärung dafür, dass bei den Studierenden, die mit dem Modellbildungssystem arbei- ten, keine größeren Unterschiede zwischen Vor- und Nachmap beobachtet werden, als bei anderen Studierenden. Es kann ferner beobachtet werden, dass die Studierenden Alltagsbegriffe oder Formu- lierungen aus der Anleitung übernehmen, ohne deren Bedeutung zu verstehen. Da die Studierenden aufgrund der Gestaltung des Praktikums ihr physikalisches Wissen kaum zur Handlungsregulation während der Praktikumsarbeit einsetzen (vgl. Kap. 9), ist es möglich, dass Alltagsvorstellungen nicht korrigiert oder sogar gefestigt werden. Weiteres Vorgehen Die Darstellung der Ergebnisse aus Video- und Begriffsnetzanalyse ist damit abge- schlossen. Im folgenden Kapitel werden die Untersuchungsergebnisse im Zusammen- hang diskutiert, und es werden die didaktischen Konsequenzen der Ergebnisse erläu- tert. Kapitel 12 ERGEBNISDISKUSSION UND FOLGERUNGEN 12-1 Einführung 12-2 Handlungsregulation im Praktikum 12-3 Wissenserwerb im Praktikum 12-4 Computergestützte Messwerterfassung 12-5 Modellbildung und Simulation 12-6 Folgerungen 12-1 EINFÜHRUNG Die Ergebnisse zur Handlungsregulation und zum Wissenserwerb im Praktikum wur- den bisher getrennt dargestellt. Ziel dieses Kapitels ist es, die in den Kapiteln 9 und 11 gewonnenen Ergebnisse zusammenzufassen und mögliche Konsequenzen für die Ges- taltung physikalischer Praktika aufzuzeigen. Die Darstellung bezieht sich zunächst auf die Handlungsregulation und den Wissenserwerb im traditionellen Praktikum. An- schließend werden die Ergebnisse zum Computereinsatz zusammengefasst. Dabei wird jeweils auf die entsprechenden Abschnitte der vorhergehenden Kapitel, in denen die Ergebnisse gewonnen wurden, verwiesen. Am Ende des Kapitels wird auf Folgerungen, die sich bezüglich der Gestaltung von Praktika und des Computereinsatzes im Prakti- kum ergeben, eingegangen. 12-2 HANDLUNGSREGULATION IM PRAKTIKUM Eines der meistgenannten Ziele physikalischer Praktika ist die praktische Anwendung physikalisch-theoretischer Konzepte und der aktive Erwerb physikalischen Wissens beim Experimentieren (vgl. Kap. 1-2). Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass dieses Ziel mit dem traditionell gestalteten Anfängerpraktikum kaum erreicht wird. In etwa 80% der Praktikumszeit haben die handlungsleitenden Kognitionen der Studierenden keinen Bezug zu physikalischen Konzepten (siehe Kap. 9-3). Werden physikalische Konzepte zur Handlungsregulation benutzt, so geschieht dies in der Regel auf der de- skriptiven kognitiven Ebene. Das bedeutet, dass die handlungsleitenden Kognitionen sich nur auf Objekte und deren Eigenschaften, oder auf entsprechend einfache Hand- KAPITEL 12: ERGEBNISDISKUSSION UND FOLGERUNGEN134 lungsprogramme beziehen. Eine Anwendung physikalischer Theorie (manipulating ideas, LUNETTA 1998) findet während der Praktikumsarbeit nicht statt. Auch während der Versuchsauswertung scheinen die Studierenden sich kaum mit physikalischer The- orie zu befassen (Kap. 9-5). Eine Voraussetzung für den aktiven Erwerb physikalischen Wissens beim Experimen- tieren ist, dass physikalische Konzepte bewusst zur Handlungsregulation eingesetzt werden (Kap. 4-1 bzw. 4-3). Nach DÖRNER (1993) kann die Handlung dabei auf ver- schiedenen Ebenen reguliert werden: als Planendes Denken oder als Exploration (siehe Kap. 4-3, S. 29). Wenn auf der Stufe der Exploration gehandelt wird, kann neues Wis- sen erworben werden. Die in der Untersuchung eingesetzte Methodik erlaubt keine Aussage darüber, auf welcher Ebene nach DÖRNER die Handlungen während der Prak- tikumsarbeit reguliert werden. Die Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch, dass, un- abhängig von den Dörnerschen Ebenen, die Studierenden nur sehr selten physikalische Konzepte zur Handlungsregulation einsetzen. Es kann ferner davon ausgegangen wer- den, dass nur ein Teil dieser Handlungen auf der Stufe der Exploration reguliert wird und somit zu Wissenserwerb führt. Das traditionelle physikalische Anfängerpraktikum an der Universität stellt demnach keine für die Anwendung und den aktiven Erwerb physikalischen Wissens besonders geeignete Lernumgebung dar. Die Untersuchungsergebnisse lassen auf zwei Mechanismen schließen, deren Wirkun- gen eng miteinander verknüpft sind, und die dazu führen, dass physikalisches Wissen nur in geringem Maße zur Handlungsregulation während der Praktikumsarbeit einge- setzt wird: (a) die Art der ausgeübten Tätigkeiten und (b) der geringe Handlungsspiel- raum. Routinetätigkeiten und manipulative Tätigkeiten Die Praktikumsarbeit besteht zum überwiegenden Teil aus den Tätigkeiten Manipulie- ren und Messen (Kap. 9-2). Dabei werden in fast der Hälfte der Praktikumszeit Objekte manipuliert, Ereignisse beobachtet oder Handlungsprogramme ausgeführt, ohne dass die handlungsleitenden Kognitionen der Studierenden sich auf physikalische oder me- thodische Aspekte des Experiments beziehen (Kap. 9-3). Offenbar verbringen die Stu- dierenden sehr viel Zeit mit einfachen Routinetätigkeiten, bei denen es nicht notwendig ist, die Handlungen physikalisch-theoriegeleitet zu regulieren. Mit solchen Tätigkeiten können lediglich manuelle Fertigkeiten oder Eigenschaften wie Geduld und Ausdauer trainiert werden. Geringer Handlungsspielraum Die Art der Tätigkeiten und die Anteile der Tätigkeiten an der Praktikumszeit sind im Wesentlichen von der Versuchsanleitung bestimmt (Kap. 9-2). Nur die Abfolge der Tä- tigkeiten kann variiert werden. Handlungsregulation im traditionellen Praktikum be- deutet demnach die Ausführung der in der Anleitung vorgegebenen Handlungen. Dabei ist der Einsatz physikalisch-theoretischen Wissens möglich (wenn etwa die in der An- leitung dargestellten Handlungsschritte gedanklich nachvollzogen werden), aber nicht notwendig. 12-3 WISSENSERWERB IM PRAKTIKUM 135 Da die Studierenden die vorgegebenen Handlungen außerdem in einem vorgegebenen Zeitrahmen durchzuführen haben, wird die Möglichkeit zur theoriegeleiteten Hand- lungsregulation weiter eingeschränkt. Um die gestellten Aufgaben zu erfüllen konzent- rieren sich die Studierenden auf das Absolvieren der durchzuführenden Messungen. Während der Praktikumsarbeit werden die Handlungen deshalb hauptsächlich von der Frage geleitet, wie gültige Messergebnisse zu erzielen sind (Kap. 9-3). Dabei rücken physikalische Problemstellungen in den Hintergrund. Zur Rolle der Betreuung Es gibt im traditionellen Praktikum nur eine Tätigkeit, die förderlich für die Beschäfti- gung mit physikalischer Theorie ist: die Interaktion mit dem Versuchsbetreuer (siehe Kap. 9-4). Durch die Fragen und Anregungen einer dritten Person werden die Studie- renden gezwungen, sich mit den physikalischen Zusammenhängen des Experiments auseinander zusetzen. Das bedeutet, dass der Betreuung der Praktikumsarbeit eine sehr wichtige Rolle für das Physiklernen im Praktikum zukommt. 12-3 WISSENSERWERB IM PRAKTIKUM Durch die Durchführung eines Praktikumsversuchs kann experimentelles und physika- lisches Wissen erworben werden (Kap. 11). Nach den Untersuchungsergebnissen gibt es zwei wesentliche Faktoren, die den Wissenserwerb im Praktikum beeinflussen: (a) die Versuchsanleitung und (b) die individuellen Voraussetzungen der Studierenden. Rolle der Versuchsanleitung Offenbar wird ein bedeutender Teil des mit der Durchführung des Praktikumsexperi- ments erworbenen Wissens nicht durch die Praktikumsarbeit erworben, sondern durch die Beschäftigung mit der Versuchsanleitung (Kap. 11-4). Einem Wissenserwerb im Praktikum wird dadurch vorgegriffen. Durch die Praktikumsarbeit werden offenbar vor allem solche Wissenselemente erworben, die von der Versuchsanleitung nicht oder nicht genau beschrieben werden (Kap. 11-4). Die Versuchsanleitung ist für die Studierenden in der Regel die einzige Quelle für die Vorbereitung auf das Praktikumsexperiment (Kap. 10-3). Es konnte beobachtet werden, dass die Studierenden Formulierungen aus der Versuchsanleitung übernehmen, ohne die physikalische Bedeutung derselben verstanden zu haben. Da, wie gezeigt, die Ges- taltung des Praktikums nicht dazu führt, dass physikalische Konzepte am Experiment überprüft werden, besteht die Gefahr, dass Alltagsvorstellungen das Praktikum über- dauern. Individuelle Voraussetzungen der Studierenden Für das untersuchte Experiment kann kein direkter Zusammenhang zwischen Art und Umfang des erworbenen Wissens und der Handlungsregulation der Studierenden wäh- rend der Praktikumsarbeit nachgewiesen werden (Kap. 11-2 u. 11-3). Das Lernen im Praktikum scheint von der Praktikumsarbeit, und damit von der Art der Lernumge- KAPITEL 12: ERGEBNISDISKUSSION UND FOLGERUNGEN136 bung, unabhängig zu sein. Da es dennoch deutliche Unterschiede im Wissenserwerb zwischen einzelnen Studierenden gibt, muss davon ausgegangen werden, dass die per- sönlichen Merkmale der Studierenden einen wichtigen Einflussfaktor darstellen. Die Untersuchungsergebnisse weisen darauf hin, dass neben den kognitiven Voraussetzun- gen der Studierenden affektive Variablen eine Rolle beim Lernen im Praktikum spielen. Man kann vermuten, dass motivierte Studierende sich intensiver auf das Praktikum- sexperiment vorbereiten, während der Praktikumsarbeit mehr Engagement zeigen und auch mehr Wissen erwerben als andere Studierende (Kap. 11-3). Bisherige Forschungen geben wenig Aufschluss darüber, welche Variablen den Lerner- folg im Praktikum beeinflussen, und welchen Einfluss affektive Variablen haben (TOH 1990; vgl. Kap. 2-1). Bezüglich des Praktikums an der Universität gibt es hierzu keiner- lei Erkenntnisse. Möglicherweise wird auf Hochschulebene die Rolle affektiver Ein- flussfaktoren auf das Handeln und Lernen im Praktikum unterschätzt. Vielfach wird davon ausgegangen, dass Studierende der Physik ausreichend motiviert sind, um sich im Praktikum zu engagieren (vgl. Kap. 1-2, S. 7). TOH (1990) zeigt mit einer Untersuchung an Schülern, dass affektive und kognitive Va- riablen gleichermaßen für einen guten Lernerfolg durch experimentelles Arbeiten ver- antwortlich sind. Dabei erweist sich insbesondere die Einstellung zur Schule als guter Prädiktor für Leistung in praktischen Tests. Auch OKEBUKOLA (1985) findet einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Einstellung von Schülern zum Praktikum, ih- ren experimentellen Fähigkeiten und ihren Handlungen während der Praktikumsar- beit. BIANCHINI (1997) berichtet Befunde, die denen der vorliegenden Untersuchung ähneln. Sie beobachtet, dass in einem auf Gruppenarbeit basierenden Experimental- unterricht in Biologie die Gespräche von Schülern nur selten über das Beschreiben von Beobachtungen und die Diskussion von praktischen Vorgehensweisen hinausgehen. Fachliche Konzepte werden dabei, unter anderem weil der Zeitrahmen zu gering ist, nicht berührt. Die Auseinandersetzung mit fachlichen Inhalten findet somit außerhalb des eigentlichen Unterrichts statt und ist den Schülern selbst überlassen. Bezogen auf das physikalische Anfängerpraktikum bedeutet dies, dass die Bereitschaft der Studierenden, über die Versuchsdurchführung hinaus Zeit und Interesse am Ver- suchsthema aufzubringen, ein bedeutender Einflussfaktor für den Wissenserwerb ist. Trotzdem können auch Studierende, die wenig Engagement zeigen, das Praktikum er- folgreich absolvieren, da die Versuchsanleitung alle hierzu notwendigen Informationen liefert und jederzeit auf sie zurückgegriffen werden kann. 12-4 COMPUTERGESTÜTZTE MESSWERTERFASSUNG Insgesamt führt der Einsatz computergestützter Messwerterfassung in dieser Untersu- chung zu keinem positiven Einfluss auf das Physiklernen im Praktikum. Ein wesentli- cher Grund dafür liegt darin, dass der Computer unter den Rahmenbedingungen des traditionellen Praktikums eingesetzt wurde (Kap. 9-4). Dies war notwendig, um die Vergleichbarkeit der Untersuchungsergebnisse in den drei Lernumgebungen zu ge- 12-4 COMPUTERGESTÜTZTE MESSWERTERFASSUNG 137 währleisten. Um die Vorteile des Computereinsatzes zur Messwerterfassung zur Gel- tung zu bringen, bedarf es aber einer umfassenderen Umgestaltung der Lernumgebung. Die graphische Darstellung der Schwingungskurven in Echtzeit bietet Anknüpfpunkte für physikbezogene Diskussionen, die die traditionelle Lernumgebung nicht bietet. Sol- che Diskussionen treten in der Untersuchung jedoch nur vereinzelt auf. Im Kontext des traditionellen Praktikums kommt dieser Vorteil des Computereinsatzes kaum zur Gel- tung, da die Studierenden sich vor allem auf das Durchführen von Messungen konzent- rieren (s.o.) (Kap. 9-4). Ein Zeitgewinn durch die computergestützte Messwertaufnahme wurde bei den in die- ser Untersuchung betrachteten Experimenten nicht erreicht (Kap. 9-2). Das Ablesen der Messwerte anhand der graphischen Darstellung auf dem Computerbildschirm be- wirkt jedoch, dass die Studierenden sich weniger ablenken als im traditionellen Prakti- kum. Sie sind während der gesamten Praktikumsarbeit auf den Computer konzentriert (Kap. 9-2 bzw. 9-3). Im Fall von Versuch II („Anharmonische Schwingungen“) führt dies dazu, dass alle betreffenden Studierenden das zentrale physikalische Phänomen des Versuchs, eine plötzliche Verringerung der Schwingungsamplitude, übersehen, da sie, statt das Drehpendel zu beobachten, ihre Aufmerksamkeit ausschließlich auf den Computerbildschirm richten. Verbindung von Praktikums- und Auswertearbeit Nach den Untersuchungsergebnissen liegt der Hauptvorteil computergestützter Mess- werterfassung in der Möglichkeit, Auswertungen im direkten Zusammenhang mit der Datenaufnahme durchzuführen (Kap. 9-6). Aus physikdidaktischer Sicht liegt der Vorteil darin, dass die Studierenden überprüfen können, inwieweit die Messergebnisse mit den aus der physikalischen Theorie abgelei- teten Erwartungen übereinstimmen. Dies kann zur selbstständigen Entdeckung von Messfehlern durch die Studierenden führen. Dabei können Fehlerquellen und physika- lische und experimentelle Aspekte des Experiments diskutiert werden. Außerdem wird den Studierenden die Möglichkeit eröffnet, die Messung zu wiederholen, und den Feh- ler zu korrigieren. Aus handlungstheoretischer Sicht liegt der Vorteil darin, dass die Studierenden eine Rückmeldung erhalten. Sie ermöglicht ihnen, selbstständig zu überprüfen, inwieweit die Ergebnisse ihrer Handlungen mit ihren Zielen übereinstimmen. Nach HACKER (1986) und VOLPERT (1994) ist die Rückmeldung wesentlicher Bestandteil einer voll- ständigen Handlung. Das Handlungsziel dient dabei als Sollwert, der dem Vergleich mit dem tatsächlichen Resultat der Handlung zugrunde gelegt wird (siehe Kap. 4-2). Rückmeldungen haben sowohl eine informative als auch eine motivierende Funktion (z.B. KLEINBECK 1996). Insbesondere die daraus entstehenden eigenverantwortlichen Handlungsmöglichkeiten können zur Motivierung der Lernenden beitragen (MANDL & HRON 1989, siehe Kap. 3-1). Es konnte jedoch nur eine Vpn-Gruppe beobachtet werden, die in der beschriebenen Weise vom Computer Gebrauch macht (Kap. 9-6). Das Praktikum ist so gut angeleitet, KAPITEL 12: ERGEBNISDISKUSSION UND FOLGERUNGEN138 dass den Studierenden in der Regel keine bedeutenden Fehler im Versuchsaufbau oder beim Messen unterlaufen. Das unterstreicht, dass die Rahmenbedingungen des traditi- onellen Praktikums für einen Computereinsatz nicht geeignet sind. 12-4 MODELLBILDUNG UND SIMULATION Der Einsatz eines Modellbildungssystems erweist sich als wirkungsvolles Hilfsmittel zur Förderung der Auseinandersetzung mit physikalischer Theorie während der Prakti- kumsarbeit. Dabei muss man aber zwischen den Tätigkeiten der Modellbildung und der Simulation unterscheiden. Modellbildung Die Erstellung eines Modells zum Praktikumsexperiment ist die einzige Tätigkeit im Praktikum, die theoriegeleitetes Handeln in deutlicher Weise fördert (Kap. 9-4). Sie ist diesbezüglich darum effektiver als alle anderen Tätigkeiten. Ähnlich wie bei Interaktio- nen mit dem Betreuer (s.o.) sind die Studierenden bei der Modellbildung gezwungen, bei der Handlungsregulation auf ihr Wissen über physikalische Zusammenhänge zu- rückzugreifen. Allerdings konnte mit den Begriffsnetzen kein höherer Wissenszuwachs der Studieren- den, die mit einem Modellbildungssystem arbeiten, verglichen mit anderen Studieren- den, nachgewiesen werden. Dies ist vermutlich, wie schon bei der computergestützten Messwerterfassung (s.o.), darauf zurückzuführen, dass der Computer unter den Rah- menbedingungen des traditionellen Praktikums eingesetzt wurde. Dadurch, dass der physikalisch-theoretische Hintergrund des Experiments in der Versuchsanleitung be- reits ausführlich dargelegt ist, wird einem Erwerb neuen Wissens bei der Modellbildung vorgegriffen (Kap. 11-4). Dennoch kommt der Modellbildung eine wichtige Funktion zu. Sie bewirkt, dass die Studierenden ihr Wissen über physikalische Zusammenhänge im Kontext des Praktikumsexperiments einsetzen und überprüfen. Dies ist, wie gezeigt, im traditionellen Praktikum nicht der Fall (s.o.). Simulationen Die Tätigkeit der Simulation fördert die Verwendung physikalischen Wissens zur Handlungsregulation nicht unmittelbar (Kap. 9-4). Zur Durchführung von Simulatio- nen genügt es, die Parameter systematisch zu variieren. Hierfür bedarf es geringer kog- nitiver Leistungen. Dennoch kann das Durchführen von Simulationen helfen, die Lern- umgebung effektiver zu gestalten. Wird das Experiment vor Beginn der Messungen simuliert, so bekommen die Studierenden eine Vorstellung von der Art und der Grö- ßenordnung der zu erhaltenden Ergebnisse. Dies hilft ihnen, die eigenen Handlungs- ziele zu konkretisieren und präzisieren. Im Fall von Versuch II („Anharmonische Schwingungen“) führt dies dazu, dass, im Gegensatz zu Studierenden, die den Compu- ter nur zur Messwerterfassung einsetzen (s.o.), alle Studierenden, die mit dem Modell- bildungssystem arbeiten, das zentrale physikalische Phänomen des Versuchs, eine plötzliche Verringerung der Schwingungsamplitude, beobachten (Kap. 9-2). 12-5 FOLGERUNGEN 139 Die Simulation hat außerdem die wichtige Funktion, den Studierenden Rückmeldung über den Erfolg ihrer Handlungen bei der Modellerstellung zu geben. Die Interaktivität des Mediums ermöglicht eine sofortige und selbstständige Handlungskontrolle und – korrektur (vgl. MANDL & HRON 1989; LINN 1998; Kap. 3-1). Bei dieser Art der Rückmeldung greifen die Studierenden nicht, wie im traditionellen Praktikum, auf eine Anleitung, die das richtige Ergebnis enthält, zurück, sondern sie benutzen ihre eigenen Konzepte zur Überprüfung und Regulation ihrer Handlungen. 12-5 FOLGERUNGEN Die Untersuchungsergebnisse unterstreichen die Bedeutung, die dem Praktikum in der physikalischen Ausbildung zukommt. Durch die Durchführung eines Praktikumsver- suchs erwerben die Studierenden physikalisches und experimentelles Wissen. Der in Vorlesungen und Übungen gelernte Stoff wird damit ergänzt und erweitert. Die Studie- renden lernen Geräte und Versuchsaufbauten, sowie typische physikalische Phänomene kennen, die mit der Praktikumsarbeit illustriert werden. Sie verbringen viel Zeit mit dem Manipulieren von Apparaturen, und sie befassen sich häufig mit Fragen, die die Durchführung von Messungen und das Erzielen gültiger Messergebnisse betreffen. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der Vorbereitung auf eine spätere Berufstätigkeit als Physi- ker. Die Untersuchungsergebnisse zeigen aber auch, dass das traditionelle Praktikum die Anwendung und den aktiven Erwerb physikalisch-theoretischen Wissens nur in einge- schränktem Maße fördert. Eine Verbindung von Theorie und Praxis wird, obwohl nach Kapitel 1-2 eines der meistgenannten Ziele von Praktika, nicht erreicht. Mit dem tradi- tionellen Anfängerpraktikum kann daher kaum ein tieferes Verständnis physikalischer Zusammenhänge (higher levels of scientific understanding, LUNETTA 1998, 256) bei den Studierenden bewirkt werden. Gestaltungsmerkmale des Praktikums Die Untersuchungsergebnisse wurden anhand eines typischen Versuchs des physikali- schen Anfängerpraktikums gewonnen. Dieses Praktikum ist an vielen deutschen Uni- versitäten ähnlich organisiert (DIEMER et al. 1998). Folgende Gestaltungsmerkmale sind dabei charakteristisch (vgl. Kap. 6-1):  Die Studierenden haben eine detaillierte Versuchsanleitung zur Verfügung, in der die relevante physikalische Theorie, die Aufgabenstellung, die Messverfahren, die zu erzielenden Messergebnisse, sowie die zur Erlangung der Messergebnisse benötig- ten Formeln beschrieben sind.  Die Praktikumsversuche werden Woche für Woche an einem bestimmten Tag in dafür vorgesehenen Praktikumsräumen durchgeführt. Das Praktikum läuft also mit einer gewissen Routine ab. Die Studierenden haben für die Versuchsdurchführung eine begrenzte Zeit zur Verfügung. KAPITEL 12: ERGEBNISDISKUSSION UND FOLGERUNGEN140  Die Studierenden werden von wissenschaftlichen Assistenten betreut. Das Wissen der Studierenden zum Themenbereich des Praktikumsexperiments wird vor Beginn der Versuchsdurchführung in einem Kolloquium abgeprüft. Das erfolgreiche Absol- vieren des Versuchs ist Voraussetzung, um einen Schein zu erhalten.  In der Regel erfolgt, außer für Funktionen des Steuern und Regelns, kein Computer- einsatz. Mit der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich Studierende bei der Durchfüh- rung eines Praktikumsexperiments mit diesen Gestaltungsmerkmalen verhalten. Es konnten Ursachen des Verhaltens, und damit die Lernmechanismen im Praktikum, be- schrieben werden. Umgekehrt geben die Untersuchungsergebnisse auch Hinweise dar- auf, wie die Bedingungen verändert werden können, um das Physiklernen im Prakti- kum zu fördern. Verbesserungsansätze Die folgenden Ansätze zur Förderung physikalisch-theoriegeleiteten Handelns und ak- tiven Wissenserwerbs im Praktikum lassen sich aus den Untersuchungsergebnissen ableiten: (1) Das Einschränken von Handlungsangeboten, die nicht förderlich für physikalisch- theoriegeleitetes Handeln sind. In der Untersuchung zeigt sich, dass das traditionelle Praktikum hauptsächlich aus dem Aufnehmen von Messwerten und dem Manipulieren von Apparaturen besteht. Im Kontext des traditionellen Praktikums führen diese Tätigkeiten zu einer Handlungsre- gulation auf einer niedrigen, objektbezogenen Ebene. Wird der Umfang und die Be- deutung dieser Tätigkeiten zugunsten anderer Tätigkeiten, zum Beispiel Modellbildung oder selbstständige Planungstätigkeiten der Studierenden, eingeschränkt, so wird ver- mieden, dass die Lerner hauptsächlich mit dem Einstellen von Geräten, technischen Problemen und dem „Absitzen“ langwieriger Messreihen beschäftigt sind. (2) Der Einsatz eines Modellbildungssystems, um ein physikalisches Modell zum Expe- riment zu erstellen. Damit werden die Studierenden gezwungen, ihr physikalisch-theoretisches Wissen zur Handlungsregulation zu benutzen. Es ist anzunehmen, dass der gleiche Zweck mit anderen Computerprogrammen zur Modellierung erreicht werden kann. Entscheidend dabei ist, dass die Studierenden nicht nur Parameter, sondern auch die physikalischen Beziehungen des Modells verändern. (3) Eine gezielte und intensive Betreuung der Praktikumsarbeit. Auch dies ist eine Maßnahme, mit der die Studierenden durch entsprechende Frage- stellungen und Diskussionen gezwungen werden können, auf ihr theoretisches Wissen zurückzugreifen. Bleibt das traditionelle Praktikum in seiner jetzigen Form bestehen, so ist dies nach den Untersuchungsergebnissen der einzige Weg, die Auseinandersetzung mit physikalischer Theorie während der Praktikumsarbeit zu verbessern. 12-5 FOLGERUNGEN 141 (4) Der Einsatz computergestützter Messwerterfassung, um Messergebnisse im direk- ten Anschluss an die durchgeführten Messungen zu erhalten und auszuwerten. So erhalten die Studierenden gleich im Anschluss an die Handlung eine Rückmel- dung. Damit diese Maßnahme sinnvoll wird, ist es notwendig, das Praktikum so zu gestalten, dass die Studierenden ohne Zeitdruck Ergebnisse berechnen, mögliche Feh- ler suchen und diskutieren, und Messungen wiederholen können. Im traditionellen Praktikum ist dies nicht möglich, da Messungen und Auswertungen getrennt voneinan- der stattfinden. Für das Auslösen von Lernprozessen ist es außerdem vorteilhaft, wenn Diskrepanzen zwischen erwarteten und eintretenden Ereignissen auftreten (z.B. FISCHER 1990). Den Studierenden sollte also die Möglichkeit eingeräumt werden, bei der Handlungsregulation Fehler zu machen. Dies verlangt eine offenere Gestaltung des Praktikums (siehe Punkt 6). (5) Die Simulation des Praktikumsexperiments vor Durchführung der Messungen. Damit können die Studierenden ihre Handlungsziele konkretisieren und präzisie- ren. Dies kann mit einem beliebigen Simulationsprogramm, oder auch mit einem ge- zielten Gespräch vor Beginn der Messungen, erreicht werden. Ein Modellbildungssys- tem erscheint aber als besonders geeignet, da die Studierenden hier aktiv an der Erstellung des physikalischen Modells beteiligt sind. Die Studierenden können dann das eigene physikalischen Modell am Experiment überprüfen. Voraussetzung ist aller- dings, dass nicht im gleichen Experiment komplizierte und langwierige Messreihen aufgenommen werden, da dann die Gefahr besteht, dass andere Ziele in den Vorder- grund rücken (vgl. Punkt 1). Eine Vorwegnahme der Handlungsergebnisse mittels einer Simulation ist außerdem nur sinnvoll, wenn auch überprüft werden kann, ob die er- warteten Ergebnisse erreicht wurden. Daher sollte neben einem Simulationsprogramm auch computergestützte Messwerterfassung eingesetzt werden, um die Messwerte für die Rückmeldung verfügbar zu machen (siehe Punkt 4). (6) Eine offenere Gestaltung des Praktikums. Dies ist der grundlegendste und wichtigste Verbesserungsansatz. Die bisher darge- stellten Ansatzpunkte hängen zum Teil inhaltlich und organisatorisch miteinander zu- sammen. Die meisten Maßnahmen machen erst dann Sinn, wenn das Praktikum auch offener gestaltet wird. Konkret bedeutet das, dass die einzelnen Arbeitsschritte nicht mehr ausführlich in der Versuchsanleitung vorgegeben sind. Die Umfrage von RUICKOLDT (1996; vgl. Kap. 2-3) zeigt, dass dies auch den Wünschen von Studierenden und ehemaligen Studierenden entspricht. Mehr Eigeninitiative und Selbstständigkeit sind die häufigsten Forderungen bezüglich einer Verbesserung des physikalischen Hochschulpraktikums. Im physikalischen Anfängerpraktikum der Uni- versität Dortmund werden bereits einige offenere Versuche angeboten. Es handelt sich um anwendungsorientierte, aktuelle Themen (z.B. „Windenergiekonverter“), zu deren Bearbeitung die Studierenden mehr als einen Nachmittag Zeit haben. Erste Ansätze, das Hochschulpraktikum moderner zu gestalten, entsprechen also den Forderungen, die sich aus den empirischen Befunden ergeben. KAPITEL 12: ERGEBNISDISKUSSION UND FOLGERUNGEN142 Obgleich in der Literatur vielfach gefordert und diskutiert, ist eine offenere Gestaltung des Praktikums die vermutlich am schwierigsten zu realisierende Maßnahme. Dies liegt daran, dass ein Mittelweg gefunden werden muss zwischen einer ausreichenden Anlei- tung, anhand derer die Studierenden in die Lage versetzt werden, die Handlungen er- folgreich zu organisieren, und einem ausreichenden Grad der Offenheit, der gewähr- leistet, dass die Lernenden auf ihr eigenes Wissen zurückgreifen und neues Wissen erwerben können (the dilemma of preordinained science and student autonomy, OLSEN et al. 1996, vgl. Kap. 4). Gerade im Hochschulpraktikum kann die Lernumge- bung auf Grund der anspruchsvollen physikalischen Inhalte und der komplizierten technischen Ausstattung sehr komplex ausfallen. Es besteht dann die Gefahr, dass die Praktikumsarbeit, wie oben beschrieben, hauptsächlich darin besteht, technische Probleme zu lösen. Daher spielt in einem offeneren Praktikum die didaktisch und phy- sikalisch kompetente Betreuung der Studierenden eine wichtige Rolle (vgl. Punkt 3). Es ist unwahrscheinlich, dass eine Öffnung des Praktikums unter den aktuellen Rah- menbedingungen, das heißt mit Experimenten, die innerhalb von einigen Stunden durchzuführen sind, erfolgreich realisiert werden kann. Vermutlich lässt sich dieses Ziel am ehesten mit projektartigen Experimenten, bei denen die Studierenden auch Pla- nungsaufgaben übernehmen, erreichen (vgl. Punkt 7). (7) Die Berücksichtigung des Einflusses affektiver Variablen (Motivation, Einstellung, Interesse) bei der Gestaltung des Praktikums. Wie bereits festgestellt gibt es im Hinblick auf Praktika nur sehr wenige Untersu- chungen, die affektive Variablen berücksichtigen. Es gibt daher nur wenige Anhalts- punkte, wie das Praktikum diesbezüglich verbessert werden kann. Nach JOHNSTONE et al. (1996) führen Vorbereitungssitzungen einige Tage vor dem eigentlichen Experimen- tieren sowohl zu einer positiveren Einstellung von Studierenden zum Praktikum als auch zu besseren Leistungen. NICOL et al. (1994) zeigen, dass kooperatives Lernen in Gruppenarbeit die Motivation der Studierenden verbessern und zur intensiveren Aus- einandersetzung mit theoretischen Grundlagen bei der Praktikumsarbeit führen kann. Die Autoren führen dies auf die Verantwortung, die die Studierenden für die Gruppen- mitglieder haben, zurück. Nach TOBIN (1990) können außerdem alternative Verfahren zur Bewertung der Praktikumsarbeit zur Transparenz der Ziele des Praktikums, und damit zu einer höheren Motivation der Lernenden beitragen. Eine offenere Gestaltung des Praktikum scheint auch unter motivationalen Gesichts- punkten große Chancen zu bieten. Zum einen können Projekte mit anwendungsbezoge- nen, zeitgemäßen Themen durchgeführt werden, die ein authentisches wissenschaftli- ches Vorgehen ermöglichen (vgl. Kap. 1-2). Zum anderen können die Studierenden vollständige Aufgaben, von der selbstständigen Zielsetzung über Planungsfunktionen bis hin zum Resultatfeedback, bearbeiten. Das Konzept der vollständigen Aufgabe (z.B. SCHULER 1995), Gruppenarbeit, sowie die Möglichkeit, die Ziele der eigenen Handlung selber zu bestimmen, sind Grundlage moderner und erfolgreicher arbeitspsychologi- scher Ansätze zur Verbesserung der Arbeitsmotivation (KLEINBECK 1996). Eine Anleh- 12-5 FOLGERUNGEN 143 nung an solche Methoden könnte sich als fruchtbarer Ansatz zur Gestaltung von Prak- tika erweisen. Zum Computereinsatz im Praktikum Es gibt zwei Argumentationsweisen für einen Computereinsatz im physikalischen Praktikum, auch oder gerade an der Universität. Zum einen ist der Computer, wie oben gezeigt, ein wirkungsvolles Hilfsmittel, um konkrete Verbesserungen der Lernbedin- gungen im Praktikum umzusetzen. Zum anderen kann ein Computereinsatz zu einem modernen Praktikum beitragen, und somit helfen, die Studierenden besser auf eine spätere Berufstätigkeit vorzubereiten (DIEMER et al. 1998). Die Umfrage von GIRWIDZ (1994) zeigt, dass ein Computereinsatz im Praktikum sei- tens der Studierenden erwünscht ist (vgl. Kap. 4-4). Die Reaktionen der Studierenden in der vorliegenden Untersuchung bestätigen dies (Kap. 7-2, 7-5 u. 9-2). Die Untersu- chung zeigt außerdem, dass die Studierenden in der Regel die notwendigen Computer- kenntnisse besitzen. Auch der Einsatz eines Modellbildungssystems verläuft, selbst bei erstmaliger Benutzung, erfolgreich und problemlos (Kap. 7-4). Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass ein Computereinsatz im Praktikum nicht unbedingt zu einer Veränderung der Handlungsregulation und zu einem verbesserten Wissenserwerb der Studierenden führt. Es genügt hierfür nicht, bestehende Praktikum- sexperimente um einzelne Anwendungen des Computers zu ergänzen. Vielmehr emp- fiehlt es sich, den Computer im Rahmen eines didaktischen Gesamtkonzepts einzu- setzen, bei dem die Möglichkeiten des Computers in den Mittelpunkt gestellt werden (z.B. LINN 1998, siehe Kap. 3-1). So kann es am ehesten gelingen, die Vorteile, die der Computer gegenüber einer traditionellen Lernumgebung bietet, zu nutzen. Bei der computergestützten Messwerterfassung empfiehlt es sich dabei, Experimente einzuset- zen, die eigens für diesen Einsatz des Computers konzipiert sind bzw. für einen solchen Einsatz besonders geeignet sind. Einen ausführlichen Leitfaden zur Auswahl und Ges- taltung solcher Praktikumsversuche liefern z.B. DIEMER et al. 1998. Die einzelnen Ex- perimente müssen untereinander abgestimmt sein, um unterschiedliche Zielsetzungen berücksichtigen zu können. Sollen etwa Rechenverfahren, z. B. Regressionen, kennen gelernt und eingeübt werden, so muss es auch Experimente geben, bei denen der Com- puter diese Arbeit nicht abnimmt. Somit kann ein Computereinsatz auch Anlass sein, die Ziele des Praktikums oder einzelner Experimente zu überdenken und explizit zu machen. Zu Zielen des Praktikums Der größte Teil bisheriger Forschungsergebnisse zum naturwissenschaftlichen Prakti- kum bezieht sich auf schulische Praktika (vgl. Kap. 2). Eine Diskussion um die Gestal- tung des Praktikums muss für Hochschulpraktika jedoch anders geführt werden als für experimentelles Arbeiten auf Schulniveau. Die universitäre Ausbildung soll die Studie- renden auf eine berufliche Tätigkeit als Physiker vorbereiten. Daher kommt hier dem Erwerb experimenteller Fähigkeiten und Fertigkeiten („ein Gefühl für die Messung be- KAPITEL 12: ERGEBNISDISKUSSION UND FOLGERUNGEN144 kommen“), sowie dem Kennenlernen technischer Geräte und Standardverfahren eine große Bedeutung zu. Dennoch sind in der Regel an die Einrichtung von Praktika auch andere wichtige Ziele geknüpft (siehe Kap. 1-2). Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit der aktuellen Form des physikalischen Anfängerpraktikums das Ziel, eine Verbindung von Theorie und Praxis, sowie durch aktive Anwendung physikalischer Konzepte ein tieferes Verständnis physi- kalischer Zusammenhänge zu erreichen, nicht oder nur bedingt erreicht wird. Bezüglich der Organisierung des Praktikums ergeben sich daraus zwei Alternativen. Die erste Möglichkeit ist, von diesem Ziel abzusehen. In diesem Fall beschränkt sich die Gestaltung des Praktikums auf Ziele im experimentellen und methodischen Bereich. Es kann dann, gemäß der gängigen Praxis, sinnvoll sein, das Manipulieren von Geräten und das Durchführen von Messungen in den Mittelpunkt der Praktikumsarbeit zu stel- len. Bezüglich physikalischer Inhalte hat das Praktikum dabei nur eine veranschauli- chende Funktion. Werden alle Praktikumsexperimente auf gleiche Weise gestaltet, nimmt man allerdings in Kauf, dass, trotz des hohen technischen, finanziellen und organisatorischen Aufwands, die didaktischen Möglichkeiten eines Praktikums nicht ausgeschöpft werden. Die zweite Möglichkeit ist, am benannten Ziel festzuhalten. Dann muss das Praktikum verändert werden. Die Untersuchungsergebnisse unterstreichen die in der Literatur vertretene Forderung nach Praktika, deren Gestaltung sich eng an den mit ihnen ver- bundenen Zielen ausrichtet (siehe Kap. 2). Das bedeutet, dass nicht alle Experimente nach einem gleichen organisatorischen und inhaltlichen Schema ablaufen, sondern dass verschiedene Formen des Experimentierens in einem umfassenden Konzept mit- einander verbunden werden. Gezielte Veränderungen sind jedoch nur möglich, wenn man weiß, in welcher Form sich bestimmte Maßnahmen auf das Verhalten der Lernen- den im Praktikum auswirken. Yet, we are in the early stages of understanding how teachers can help to promote a student’s conceptual development, and we still have much to learn about how expe- riences with laboratory materials influence that process (LUNETTA 1998, 260). Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung tragen zum Verständnis des Handelns und des Wissenserwerbs Studierender im physikalischen Praktikum bei und liefern eine empirische Grundlage für die Gestaltung von Praktika. Kapitel 13 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur empirischen fachdidaktischen For- schung. Sie befasst sich mit der Handlungsregulation und dem Wissenserwerb von Stu- dierenden im physikalischen Anfängerpraktikum der Universität. Empirische Untersu- chungen zum Lernen im naturwissenschaftlichen Praktikum wurden bisher nur im englischsprachigen Raum durchgeführt. Es gibt aber zahlreiche Hinweise aus der Lite- ratur, dass naturwissenschaftliche Praktika die mit ihnen verbundenen Ziele nur teil- weise erreichen. Die meisten Forschungsergebnisse beziehen sich allerdings auf Unter- suchungen in Schulen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit können als Diskussionsgrundlage für eine mögliche Verbesserung der experimentellen Ausbildung auch an der Hochschule dienen. In der Arbeit wird untersucht,  ob die Studierenden bei der Durchführung eines Versuchs des physikalischen An- fängerpraktikums an der Universität physikalisch-theoretisches Wissen zur Hand- lungsregulation benutzen, und welche Bedingungen hierfür besonders förderlich oder besonders hemmend sind.  ob durch die Durchführung eines Versuchs des physikalischen Anfängerpraktikums physikalisches und experimentelles Wissen erworben wird, und wodurch dieses Wissen charakterisiert ist.  ob der Einsatz des Computers zur Messwerterfassung bzw. zur Modellbildung die Handlungsregulation und den Wissenserwerb im Praktikum beeinflusst. Theoretische Grundlagen Die theoretische Basis der Arbeit bilden Ansätze der Kognitionspsychologie und der Handlungstheorie, welche um fachdidaktische Aspekte ergänzt werden. Dabei wird eine konstruktivistische Perspektive eingenommen. Lernen wird als Wissenskonstruktion aufgefasst und durch Angliederung neuer Wissenselemente an bestehende Wissens- strukturen beschrieben. Die Verbindung von physikalischer Theorie und Praxis gelingt dann, wenn die Studierenden ihr Wissen über physikalische Zusammenhänge zur Handlungsregulation während der Praktikumsarbeit benutzen. Es wird ein Modell kog- nitiver Komplexität vorgeschlagen, nach dem die Handlungsregulation im Praktikum KAPITEL 13: ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK146 entsprechend den dabei erbrachten kognitiven Leistungen auf zwei unterschiedlichen Ebenen stattfinden kann: auf der deskriptiven oder der abstrakten kognitiven Ebene. Bei deskriptiven kognitiven Leistungen beziehen sich die handlungsleitenden Kognitio- nen nur auf Objekte und deren Eigenschaften. Die Handlungsregulation auf der abs- trakten kognitiven Ebene entspricht physikalisch-theoriegeleitetem Handeln. Untersuchungsdesign Die Untersuchung fand unter den üblichen Praktikumsbedingungen an der Universität Dortmund statt. Es wurden zwei typische Experimente des physikalischen Anfänger- praktikums ausgewählt, die sowohl traditionell (ohne Computer) als auch computer- unterstützt durchgeführt werden können. Der größte Teil der Untersuchungsergebnisse wurde anhand des Versuchs „Anharmonische Schwingungen“ gewonnen. Dabei unter- suchen die Studierenden mit Hilfe eines Pohlschen Rades das Verhalten von Amplitude und Phase einer anharmonischen Drehschwingung in Abhängigkeit von der Frequenz, und vergleichen die gemessenen Kurven mit theoretisch ermittelten Kurven. Für die Durchführung der beiden ausgewählten Praktikumsexperimente wurden 18 Versuchspersonen (Studierende im dritten Semester des Physikstudiums) auf drei Lernumgebungen verteilt. Die Lernumgebungen unterscheiden sich nur hinsichtlich des Computereinsatzes. Für die Versuchspersonen der ersten Gruppe wurden keinerlei Änderungen am üblichen Aufbau und Ablauf der ausgewählten Versuche vorgenommen (traditionelles Praktikum). Die Versuchspersonen der zweiten Gruppe benutzen bei der Versuchsdurchführung ein System zur computergestützten Messwerterfassung. Die Versuchspersonen der dritten Gruppe benutzen bei der Versuchsdurchführung zusätz- lich zur Messwerterfassung ein Modellbildungssystem. Sie erarbeiten ein physikali- sches Modell zum jeweiligen Experiment, simulieren die physikalischen Abläufe und vergleichen die Ergebnisse der Simulation mit ihren Messergebnissen. Hypothesen Die folgenden Hypothesen zur Handlungsregulation und zum Wissenserwerb im Prak- tikum werden in dieser Arbeit überprüft. Sie stützen sich auf theoretische Überlegun- gen und auf bisherige Forschungsergebnisse zum Lernen und zum Computereinsatz im Praktikum: (1) Die im Praktikum bei der Handlungsregulation erbrachten kognitiven Leistungen der Studierenden hängen von der Art der Lernumgebung ab: (a) Im traditionellen Praktikum findet die Handlungsregulation bezüglich physikali- scher Inhalte auf der deskriptiven kognitiven Ebene statt. (b) Im computergestützten Praktikum findet die Handlungsregulation häufiger auf der abstrakten kognitiven Ebene statt als im traditionellen Praktikum. (c) Wird zusätzlich zur Messwerterfassung ein Modellbildungssystem eingesetzt, findet die Handlungsregulation häufiger auf der abstrakten kognitiven Ebene statt als beim Einsatz des Computers nur zur Messwerterfassung. 147 (2) Mit der Durchführung eines Praktikumsexperiments erwerben die Studierenden physikalisches und experimentelles Wissen. Der Umfang des erworbenen Wissens (der Wissenszuwachs) hängt von der Art der Lernumgebung ab: (a) Studierende im computergestützten Praktikum haben einen höheren Wissens- zuwachs als Studierende im traditionellen Praktikum. (b) Der Einsatz eines Modellbildungssystems im Praktikum führt zu einem höheren Wissenszuwachs der Studierenden als der Einsatz des Computers nur zur Mess- werterfassung. Die in dieser Arbeit eingesetzten Methoden erlauben es ferner, über die Überprüfung dieser Hypothesen hinaus Ergebnisse zu erhalten, die zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkung zwischen Lernumgebung, Handlung und Wissenserwerb der Stu- dierenden beitragen. Methodik Es wurden zwei Instrumente zur Datenerhebung eingesetzt. Als Wissenstest wurden vor und nach dem jeweiligen Experiment Begriffsnetze, verbunden mit offenen Inter- views, eingesetzt. Die Begriffsnetze sind an den Untersuchungsgegenstand angepasst und enthalten daher sowohl physikalisch-theoretische Begriffe als auch Begriffe zu Messverfahren und zum Versuchsaufbau. Für die Analyse der Handlungen bei der Ver- suchsdurchführung wurden die Studierenden während ihrer Praktikumsarbeit per Video beobachtet. Die Auswertemethodik wurde so konzipiert, dass die Handlungsre- gulation der Studierenden während der Praktikumsarbeit mit ihrem Wissenserwerb in Zusammenhang gebracht werden kann. Die Videodaten werden einer kategoriegeleiteten Analyse unterzogen. Dabei kommen zwei Klassen von Kategorien zum Einsatz, die im Zeitverlauf den Handlungen der Stu- dierenden zugeordnet werden. Die erste Klasse von Kategorien (aus den Daten selbst abgeleitet) dient der Erfassung der verschiedenen Tätigkeiten der Studierenden wäh- rend der Praktikumsarbeit (Messen, Manipulieren, Datenauswertung, etc.). Damit können Aussagen darüber getroffen werden, wie viel Zeit auf die verschiedenen Tätig- keiten im Praktikum verwandt wird, und worin sich diesbezüglich die verschiedenen Lernumgebungen unterscheiden. Die zweite Klasse von Kategorien (aus theoretischen Überlegungen abgeleitet) dient der Erfassung der Sprechhandlungen der Studierenden während der Praktikumsarbeit (objektbezogen, messbezogen, physikbezogen, etc.). Damit können Aussagen darüber getroffen werden, mit welchen Inhaltsbereichen (Messung oder Physik) sich die Studierenden während der Praktikumsarbeit vorwie- gend auseinandersetzen und ob physikalisch-theoretische Konzepte bei der Handlungs- regulation zum Einsatz kommen. Durch die Verknüpfung beider Kategoriensysteme anhand des Zeitverlaufs können Aussagen darüber getroffen werden, welche Tätigkei- ten im Praktikum besonders förderlich oder besonders hemmend für die Auseinander- setzung mit bestimmten Inhalten sind. Anhand der Begriffsnetze wird das Wissen der Studierenden vor und nach der Durch- führung des Praktikumsexperiments untersucht. Im Inhalt des dargestellten Wissens KAPITEL 13: ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK148 als auch in der Art der Wissensdarstellung gibt es große Unterschiede zwischen den Versuchspersonen. Für den Vergleich der Begriffsnetze untereinander wird daher ein Referenznetz erstellt. Die Verbindungen des Referenznetzes werden kategorisiert. Da- bei werden die gleichen Kategorien benutzt wie bei der Analyse der Videodaten. Inner- halb einer Kategorie wird die Zahl der Propositionen der Versuchspersonen miteinan- der verglichen und mit den entsprechenden Ergebnissen bezüglich der Handlungsregulation während der Praktikumsarbeit in Verbindung gebracht. Ergebnisse Die Ergebnisse der Videoanalyse wurden varianzanalytisch auf Unterschiede zwischen den drei Vpn-Gruppen hin untersucht.  Hypothese (1a) konnte bestätigt werden: Im traditionellen Praktikum regulieren die Studierenden die Handlung bezüglich physikalischer Inhalte auf der deskriptiven kognitiven Ebene. In etwa 80% der Praktikumszeit haben die handlungsleitenden Kognitionen der Studierenden keinen Bezug zu physikalischen Konzepten. Eine Auseinandersetzung mit physikalischer Theorie findet während der Praktikumsarbeit praktisch nicht statt. Die Analyse von Videoaufzeichnungen der Versuchsauswertung brachte vergleichbare Er- gebnisse. Das traditionelle physikalische Anfängerpraktikum stellt demnach keine Lernumgebung dar, die für die Anwendung und den aktiven Erwerb physikalisch- theoretischen Wissens besonders geeignet ist. Im Mittelpunkt der Praktikumsarbeit steht das Aufnehmen von Messwerten und das erzielen gültiger Messergebnisse. Die Gestaltung des Praktikums lässt den Studieren- den dabei nur sehr wenig Handlungsspielraum. Die Studierenden führen sehr viele manipulative Tätigkeiten und Routinetätigkeiten durch, bei denen eine Auseinander- setzung mit physikalischen Inhalten nicht notwendig ist. Im traditionellen Praktikum gibt es nur eine Tätigkeit, die förderlich für die Beschäftigung mit physikalischer Theo- rie ist: die Interaktion mit dem Versuchsbetreuer. Bleibt die aktuelle Form des Prakti- kums bestehen, ist demnach eine intensive und gezielte Betreuung die einzige Möglich- keit, das Praktikum im Hinblick auf die Anwendung physikalischen Wissens beim Experimentieren zu verbessern.  Hypothese (1b) musste verworfen werden: Es konnte nicht gezeigt werden, dass durch den Einsatz des Computers zur Messwerterfassung die Handlungsregulation der Studierenden häufiger auf der abstrakten kognitiven Ebene (physikalisch- theoriegeleitet) stattfindet als im traditionellen Praktikum. Nach den Untersuchungsergebnissen liegt der Hauptvorteil computergestützter Messwerterfassung in der Möglichkeit, Auswertungen direkt im Anschluss an die Mes- sung durchzuführen. Die Studierenden erhalten so eine Rückmeldung über den Erfolg ihrer Handlungen. Dies kann zur selbstständigen Entdeckung von Messfehlern, und zur Diskussion und Suche von Fehlerquellen führen. Ein solcher Einsatz des Computers macht aber nur Sinn, wenn den Studierenden auch Gelegenheit eingeräumt wird, Feh- 149 ler zu machen, sowie diese ohne Zeitdruck zu suchen und zu korrigieren. Dies spricht für eine offenere Gestaltung des Praktikums.  Hypothese (1c) konnte bestätigt werden: Studierende, die mit dem Modellbildungs- system arbeiten, regulieren ihre Handlungen häufiger auf der abstrakten kognitiven Ebene (physikalisch-theoriegeleitet) als die anderen Studierenden. Der Einsatz eines Modellbildungssystems erweist sich demnach als wirkungsvolles Mittel zur Förderung theoriegeleiteten Handelns während der Praktikumsarbeit. Die genaue Untersuchung zeigt allerdings, dass dabei die Modellerstellung die einzige Tä- tigkeit ist, die theoriegeleitetes Handeln in deutlicher Weise fördert. Die Durchführung von Simulationen bringt dagegen diesbezüglich keine unmittelbaren Vorteile. Zur Überprüfung von Hypothese (2) wurden die Verbindungszahlen der Begriffsnetze mittels einer Varianzanalyse auf Unterschiede nach der Durchführung des Versuchs im Vergleich zu vor dem Versuch, sowie auf einen Einfluss der Art der Lernumgebung hin untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Studierenden durch die Durch- führung des Praktikumsexperiments physikalisches und experimentelles Wissen er- werben.  Die Hypothesen (2a) und (2b) mussten jedoch verworfen werden: Die Art der Lern- umgebung hat keinen Einfluss auf den Umfang und die Art des erworbenen Wis- sens. Eine qualitative Analyse der Begriffsnetze bringt Hinweise auf die Ursachen dieses Ergebnisses. Offenbar sind die Rahmenbedingungen des traditionellen Praktikums so bestimmend, dass der Computereinsatz den Wissenserwerb der Studierenden nicht nachweislich beeinflusst. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass ein bedeutender Teil des mit der Durchführung des Praktikumsexperiments erworbenen Wissens nicht durch die Praktikumsarbeit, sondern durch die Beschäftigung mit der Versuchsanlei- tung erworben wird. Die Versuchsanleitung ist für die Studierenden in der Regel die einzige Quelle für die Vorbereitung auf das Praktikumsexperiment. Beim Experimentie- ren werden solche Wissenselemente erworben, die von der Versuchsanleitung nicht oder nicht genau beschrieben werden. Es konnte ferner beobachtet werden, dass die Studierenden Formulierungen aus der Versuchsanleitung übernehmen, ohne die physi- kalische Bedeutung verstanden zu haben. Daher besteht die Gefahr, dass durch das Praktikum Alltagsvorstellungen überdauern oder gefestigt werden. Die Versuchsanlei- tung bestimmt also nicht nur die Handlungen während der Praktikumsarbeit, sondern ihr kommt auch bezüglich des Wissenserwerbs im Praktikum eine bedeutende Rolle zu. Es kann kein direkter Zusammenhang zwischen Art und Umfang des erworbenen Wis- sens und der Handlungsregulation der Studierenden während der Praktikumsarbeit nachgewiesen werden. Demnach gibt es Lernmechanismen, die von der Praktikumsar- beit unabhängig sind. Die Untersuchungsergebnisse weisen darauf hin, dass neben den kognitiven Voraussetzungen der Studierenden affektive Variablen wie Einstellung, In- teresse oder Motivation eine Rolle beim Lernen im Praktikum spielen. Offenbar berei- ten sich manche Studierenden intensiver auf das Praktikumsexperiment vor, zeigen während der Praktikumsarbeit mehr Engagement und erwerben mehr Wissen als ande- KAPITEL 13: ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK150 re Studierende. Allerdings können auch Studierende, die wenig Engagement zeigen, das Praktikum erfolgreich absolvieren, da die Versuchsanleitung alle hierzu notwendigen Informationen liefert und jederzeit auf sie zurückgegriffen werden kann. Folgerungen Eines der meistgenannten Ziele physikalischer Praktika ist die Anwendung physikali- scher Konzepte und der aktive Erwerb physikalisch-theoretischen Wissens beim Expe- rimentieren. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass dieses Ziel mit dem traditionell gestalteten Anfängerpraktikum kaum erreicht wird. Die Rahmenbedingungen des tra- ditionellen Praktikums sind außerdem so bestimmend, dass in diesem Kontext der Ein- satz des Computers kaum Auswirkungen auf die Handlungsregulation und den Wis- senserwerb der Studierenden hat. Aus den Untersuchungsergebnissen können Verbesserungsansätze zur Förderung theo- riegeleiteten Handelns und aktiven Wissenserwerbs im physikalischen Praktikum ab- geleitet werden (siehe Kapitel 12, S. 140). Die wichtigste Forderung, die sich dabei er- gibt, ist die nach einer offeneren Gestaltung der Lernumgebung, bei der nicht alle Arbeitsschritte in der Anleitung vorgegeben sind. Nur in einem solchen Zusammenhang machen weitere Verbesserungen Sinn. Dabei können auch die Vorteile, die der Com- puter gegenüber einer traditionellen Lernumgebung bietet, besser genutzt werden. Die Frage der Gestaltung physikalischer Praktika ist eng mit einer Diskussion der Ziele des Praktikums verbunden. In der experimentellen Ausbildung an der Universität spielen Ziele, die sich nicht auf die physikalische Kompetenz, sondern auf die experi- mentellen Kenntnisse und Fertigkeiten der Studierenden beziehen, eine bedeutende Rolle. Diesbezüglich ist das Anfängerpraktikum auch in der bestehenden Form ein wichtiger Bestandteil des Physikstudiums. Wie die Untersuchungsergebnisse zeigen, nutzen motivierte und engagierte Studierende das Praktikum auch, um ihre physika- lisch-theoretische Wissensbasis zu erweitern. Indem alle Praktikumsversuche auf glei- che Weise gestaltet sind, wird jedoch möglicherweise die Chance, mit dem Praktikum mehr Lernende sowie ein breiteres Spektrum an didaktischen Zielen zu erreichen, ver- schenkt. Ausblick Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung werfen neue Fragen auf und zeigen An- satzpunkte für weiterführende Untersuchungen. Zum einen bedarf es mehr und genauerer Forschungen darüber, welche Faktoren den Wissenserwerb im Praktikum beeinflussen und welche Rolle affektive Variablen wie Einstellung, Interesse oder Motivation dabei spielen. Bisherige Untersuchungen geben darüber nur wenig Aufschluss. Auf Hochschulebene liegen diesbezüglich keine Er- kenntnisse vor. Zum anderen bedarf es empirischer Untersuchungen, aus denen sich Kriterien für die Gestaltung offener experimenteller Lernumgebungen ableiten lassen. Angesichts des zunehmenden Einsatzes neuer Technologien in der naturwissenschaftlichen Ausbil- dung ist insbesondere die Frage, wie der Computereinsatz zur Realisierung solcher 151 Lernumgebungen beitragen kann, von Bedeutung. Die Notwendigkeit offener Lernum- gebungen ergibt sich nicht nur aus der vorliegenden, auf das physikalische Anfänger- praktikum bezogenen Arbeit, sondern entspricht Forderungen, die sich aus konstrukti- vistischen Ansätzen zur Gestaltung naturwissenschaftlichen Unterrichts ableiten lassen. Zur konkreten Umsetzung dieser Forderungen gibt es bisher jedoch nur wenige empirische Befunde. Daher besteht die Gefahr, dass im Praktikum Neuerungen einge- führt werden, ohne die damit verbundenen Absichten zu erreichen. Die vorliegende Ar- beit liefert ein Beispiel dafür, wie empirische fachdidaktische Forschung helfen kann, Fehlentwicklungen zu vermeiden und die praktische naturwissenschaftliche Ausbildung effizienter zu gestalten. LITERATURVERZEICHNIS AAPT (American Association of Physics Teachers) (1998). Goals of the introductory physics laboratory. American Journal of Physics, 66(6), 483-485. ACTON, W.H., JOHNSON, P.J. & GOLDSMITH, T.E. (1994). 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ANHÄNGE Anhang 1 (zu den Praktikumsexperimenten)................................................................ 165 Anleitung zu Versuch I (traditionell) 166 Anleitung zu Versuch I (computergestützt) 172 STELLA-Modell zu Versuch I 175 Anleitung zu Versuch II (traditionell) 176 Anleitung zu Versuch II (computergestützt) 186 STELLA-Modell zu Versuch II 190 Anhang 2 (Computerfragebogen) .................................................................................. 191 Anhang 3 (zur Videoanalyse).........................................................................................193 Kategoriesystem A zur Analyse der Tätigkeiten 194 Kategoriesystem B zur Analyse der Sprechhandlungen 198 Fallbeispiele für die Anwendung der Kategorien B 201 Anhang 4 (zur Begriffsnetzerhebung) .......................................................................... 205 Gelegtes Concept Map des Studenten Leo vor Versuch II 206 Zugehöriges Interviewtranskript 207 Gelegtes Concept Map des Studenten Leo nach Versuch II 210 Zugehöriges Interviewtranskript 211 Anhang 5 (zur Begriffsnetzanalyse)............................................................................... 215 Erläuterungen zur Referenznetzstruktur 216 Referenznetz zu Versuch II (traditionell) 217 Vormap des Studenten Leo 218 Nachmap des Studenten Leo 219 Anhang 1 (zu den Praktikumsexperimenten)  Anleitung zu Versuch I (traditionell)  Anleitung zu Versuch I (computergestützt)  Stellamodell zu Versuch I  Anleitung zu Versuch II (traditionell)  Anleitung zu Versuch II (computergestützt)  Stellamodell zu Versuch II ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)166 VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH I (TRADITIONELL) (vgl. FINKE, 1992) Das Relaxationsverhalten eines RC-Kreises 1. Ableitung einer allgemeinen Relaxationsgleichung und ihre Anwendung auf den RC-Kreis Relaxationserscheinungen treten auf, wenn ein System aus seinem Ausgangszustand entfernt wird und es wieder nicht-oszilllatorisch in denselben zurückkehrt*). Die Änderungsgeschwindigkeit im Zeitpunkt t der betrachteten physikalischen Größe A ist dabei meist proportional zur Abweichung der Größe A vom (nur asymptotisch erreichbaren) Endzustand A() (1)       dA dt c A t A   . Die Integration dieser Gleichung vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt t liefert     dA A A c dtA A t         0 0 oder         ln A t AA A ct     0 und schließlich (2)         A t A A A e ct    0 . In (2) muss c < 0 sein, damit A beschränkt bleibt. Beispiele für Relaxationsvorgänge stellen die Ent- und die Aufladung eines Kondensators über einen Widerstand dar. Angenommen auf den Platten des Kondensators mit der Kapazität C in Abb.1 befinde sich die La- dung Q. Dann liegt zwischen ihnen eine Spannung U, die durch (3) U Q C Abb.1 Entladung eines Kondensators über einen Widerstand gegeben ist. Nach dem ohmschen Gesetz bedingt diese einen Strom (4) I  U R *) Diese Bedingung ist bei mechanischen Systemen erfüllt, wenn Trägheitskräfte gegenüber anderen Kräften vernachlässigt werden können. VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH I (TRADITIONELL) 167 durch den Widerstand R, der einen Ausgleich der Ladungen herbeiführt. In der Zeit dt fließt die La- dung Idt über; die Ladung auf den Kondensatorplatten ändert sich also um (5) dQ dt  I . Mit Hilfe der Gleichungen (3), (4) und (5) kann man die Größen U und I eliminieren, sodass man ei- ne Differentialgleichung für den zeitlichen Verlauf der Ladung des Kondensators bekommt, die die gleiche Gestalt wie (1) hat   dQ dt RC Q t  1 . Da der Kondensator nach unendlicher langer Zeit entladen ist, gilt  Q   0 . Somit liefert die Integration (siehe (2)) (6)      Q t Q t RC 0 exp / . Entsprechend lässt sich die Gleichung für die Aufladung eines Kondensators, der über einen Wider- stand an eine Spannungsquelle mit der Spannung U0 angeschlossen ist, berechnen. Hier gelten die Randbedingungen  Q 0 0 und  Q CU  0 . Den Ausdruck RC bezeichnet man als die Zeitkonstante des Relaxationsvorganges. Während des Zeitraumes T = RC ändert sich die Ladung auf dem Kondensator um den Faktor     Q t RC Q e   0 1 0 368, . 2. Beschreibung eines Messverfahrens zur Bestimmung der Zeitkonstanten RC Zur Messung von RC kann man die in Abb.2 wiedergegebene Schaltung benutzen. Mit dieser Ver- suchsanordnung lässt sich die Kondensatorspannung UC, die gemäß (3) proportional zur Ladung Q ist, in Abhängigkeit von der Zeit aufzeichnen. Man muss hierzu UC an den Y-Eingang eines XY- Schreibers anlegen und dafür sorgen, dass derselbe zeitproportional in X-Richtung ausgelenkt wird. Das kann man mit einem an den X-Eingang angeschlossenen Dreiecksspannungsgenerator errei- chen. Vor Beginn der Messung sind einige Justierungen am XY-Schreiber vorzunehmen: Als erstes sollte das Achsenkreuz in die linke untere Ecke des Diagramms gelegt werden (X- und Y-Eingang of- fen). Als nächstes ist die Empfindlichkeit des X-Einganges bei angeschlossenem Dreiecksspan- nungsgenerator so einzuregeln, dass der Schreiber in X-Richtung voll ausgesteuert wird. Die Fre- quenz des Generators muss dabei unter 1 Hz liegen. Man lässt anschließend den Schreiber einige Male hin und herlaufen, damit die Gerade UC(t) = 0 aufgezeichnet Abb.2 Schaltung zur Aufnahme einer Entladekurve ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)168 wird. Sodann lädt man den Kondensator durch Betätigen des Schalters mit Hilfe der Gleichspan- nungsquelle U0 auf, schließt C über den 9 M-Widerstand an den Y-Eingang an und regelt die Y- Empfindlichkeit des Schreibers auf Vollausschlag ein. Zum Aufzeichnen einer Entladekurve braucht man jetzt nur noch den Schalter in dem Moment zu öffnen, wenn der Schreiberstift (bei ange- schlossener Dreiecksspannung) am linken Ende des Diagramms steht. In mehreren Probeläufen ist eine geeignete Zeitablenkgeschwindigkeit am Dreiecksspannungsgenerator einzuregeln; und zwar sollte UC am Ende des Messzeitraumes ungefähr auf ein Zehntel seines Ausgangswertes abgesun- ken sein. Nach der Aufzeichnung der Entladekurve muss die X-Achse in Zeiteinheiten geeicht wer- den. Dazu benutzt man zweckmäßigerweise einen quarzgesteuerten Periodendauermesser. 3. Relaxationsphänomene, die unter dem Einfluss einer periodischen Auslenkung aus der Gleichge- wichtslage auftreten Auch in diesem Falle besteht eine enge Analogie zwischen dem Verhalten eines mechanischen Sys- tems, das unter dem Einfluss einer Kraft mit sinusförmiger Zeitabhängigkeit steht, und einem RC- Kreis, an welchem eine Sinusspannung anliegt (Abb.3). Aus diesem Grunde soll im folgenden wie- derum das Verhalten des RC-Kreises als übertragbares Beispiel auf Relaxationsphänomene in ande- ren Gebieten der Physik betrachtet werden. Solange die Frequenz  der äußeren Wechselspannung U(t) in der Schaltung nach Abb.3 hinrei- chend niedrig ist, das heißt <<1/RC, wird die Spannung UC (t) am Kondensator in jedem Zeit- punkt praktisch gleich U(t) sein. Mit zunehmender Frequenz bleibt jedoch die Auf- und Entladung des Kondensators über den Widerstand R immer weiter hinter dem zeitlichen Verlauf der Generator- spannung zurück. Es wird sich also eine Phasenverschiebung  zwischen beiden Spannungen aus- bilden, und die Amplitude A der Kondensatorspannung wird abnehmen. Die Frequenzabhängigkeit der Phase und der Amplitude von UC sollen nun im folgenden näher betrachtet werden. Abb.3 Schaltungsbeispiel zur Diskussion von Relaxationsphänomen, die unter dem Einfluss einer periodischen Auslenkung auftreten Mit dem Ansatz         U t A tC     cos versucht man, eine Lösung des Problems zu finden. Nach dem zweiten Kirchhoffschen Gesetz ( sie- he V302, Kap.1) gilt für den Stromkreis in Abb.3       U t t R A t0 cos cos     I , mit  I t dQdt C dU dt C   . Somit ist       U t A RC t A t0 cos sin cos           . Nach Anwendung der Additionstheoreme für die sin- und cos-Funktion erhält man daraus VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH I (TRADITIONELL) 169 (7)    cos sin cos sin cos sin       t U RCA A t RCA A0      . Diese Gleichung muss für alle t erfüllt sein, so zum Beispiel für t   / 2 . Das ist nur möglich, wenn der Klammerausdruck auf der rechten Seite von (7) verschwindet, wenn also    RC cos sin oder (8)  tan     RC ist. Damit ist eine Beziehung für die Frequenzabhängigkeit der Phase  hergeleitet. Man erkennt, dass - wie erwartet -  für niedrige Frequenzen gegen null geht, während es sich für hohe Frequen- zen asymptotisch dem Wert /2 nähert. Für  = 1/RC ist  = /4. Die Gleichung (7) muss auch für t = 0 gültig sein, das bedeutet, dass auch der linke Klammeraus- druck identisch verschwinden muss; also ist (9) A U RC  0 cos sin   . Da zwischen den Winkelfunktionen cos, sin und tg die Beziehungen cos tg     1 1 2 und sin tg tg     1 2 bestehen, lässt sich (9) umformen in A U RC   0 21 1 tg tg    . Unter Benutzung von (8) folgt daraus die Gleichung (10)  A U R C     0 2 2 21 , die eine Beziehung zwischen der Amplitude der Kondensatorspannung und der Kreisfrequenz der er- regenden Spannung herstellt. Man erkennt, dass für    0 A gegen U0 geht und dass für      A verschwindet. Weiterhin ist A (1/RC) = U0 2/ . 4. Beschreibung einer Apparatur zur Messung der Frequenzabhängigkeit der Kondensatorspannung Abb.4 Schaltung zur Messung der Frequenzabhängigkeit der Kondensatorspannung Die Frequenzabhängigkeit der Kondensatorspannung lässt sich mit Hilfe der in Abb.4 wiedergege- benen Schaltung untersuchen. Man bringt dazu für jede am Sinusgenerator eingestellte Frequenz den Umschalter zunächst in die Stellung 2, sodass die Spannung U0 am Y-Eingang des XY- ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)170 Schreibers anliegt. Sodann regelt man die Y-Empfindlichkeit so ein, dass der Schreiber nahezu Voll- ausschlag erreicht. Anschließend lässt man den Schreiber einige Sinusschwingungen aufzeichnen. Danach hebt man den Schreiberstift vom Papier ab und verschiebt ihn ein wenig in X-Richtung, legt den Umschalter in die Stellung 2 und zeichnet UC auf. 5. Beschreibung eines Messverfahrens zur Phasenbestimmung zwischen zwei Spannungen Abb.5 Schaltung zur Messung der Phasenbeziehung zwischen Erreger- und Kondensatorspannung Zur Bestimmung der Phasenverschiebung  zwischen Generator- und Kondensatorspannung kann man ebenfalls den XY-Schreiber heranziehen. Er wird hierzu in der in Abb.5 dargestellten Weise ge- schaltet. Wenn sich die Spannungen Ux und Uy an seinen Eingängen durch (11)  U t U tx  0 cos und (12)    U t A ty  cos   darstellen lassen, zeichnet er eine Ellipse auf, wie im folgenden gezeigt werden soll: Die Elimination der Zeit aus (11) und (12) liefert die Beziehung U A U A U U U U y y x x              2 0 0 2 22 cos sin  . Dies ist die Gleichung einer relativ zum Achsenkreuz gedrehten Ellipse, wie sie in Abb.6 dargestellt ist. Abb.6 Zur Bestimmung des Phasenwinkels  aus der Lissajous-Ellipse Aus den in Abb.6 eingezeichneten Größen a und b und lässt sich nun  recht einfach bestimmen: aus (12) folgt sofort a = 2A . Weiterhin ist Ux = 0 zu den Zeitpunkten t = n/2 ( n = 1, 3, 5, .....). Dann hat Uy gerade die Werte VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH I (TRADITIONELL) 171 U n A n Ay    2 2                cos sin . Somit ist b A 2 sin und damit (13)   arcsin b a . Zur Bestimmung von  nach dem eben beschriebenen Verfahren lässt man den Schreiber zunächst das XY-Achsenkreuz aufzeichnen, indem man abwechselnd die Steuerspannungen am X- und Y- Eingang abklemmt. Anschließend legt man beide Spannungen gleichzeitig an und zeichnet die Ellip- se auf. Es ist zu beachten, dass bei Frequenzen oberhalb von etwa 0,5 Hz die Schreibgeschwindig- keit des Gerätes nicht mehr ausreicht, um die Ellipse unverzerrt über die gesamte Papierbreite auf- zuzeichnen. In diesem Falle muss die Schreibamplitude in X-Richtung auf wenige cm reduziert werden. 6. Mess- und Auswerteprogramm a) Man zeichne mit der in Abb.2 dargestellten Schaltung eine Entladekurve auf, stelle die Ergeb- nisse in einem halblogarithmischen Diagramm dar, führe eine Ausgleichsrechnung für die Wer- tepaare (ln UC/U0, t) durch und gebe die daraus resultierende Zeitkonstante RC an. b) Man messe UC/U0 in Abhängigkeit von der Frequenz des Sinusgenerators mit der Schaltung nach Abb.4 im Frequenzbereich 0,005 bis 1 Hz und stelle das Ergebnis in einem halblogarithmi- schen Diagramm dar. Aus den (UC/U0, )-Werten, die im steilen Teil der Kurve liegen, errechne man mehrere Male die Zeitkonstante RC. c) Man messe die Phase  in Abhängigkeit von der Frequenz des Sinusgenerators im Bereich von 0,005 bis 0,5 Hz mit der Schaltung nach Abb.5 und stelle das Ergebnis ebenfalls in einem halblogarithmischen Diagramm dar. Auch hier berechne man aus den Wertepaaren (, ), die im steilen Teil der Kurve liegen, mehrfach die Zeitkonstante RC. d) Man überlege sich mit Hilfe der Gleichungen (8) und (9), auf welcher Kurve die Wertepaare (UC( )/U0 , ()) liegen und stelle dieselbe auf Polarkoordinatenpapier dar("Ortskurve" des RC- Kreises). Außerdem trage man in dieses Diagramm die gemessenen Wertepaare (UC/U0, ) ein. ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)172 VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH I (COMPUTERGESTÜTZT) (Die „traditionelle“ und die „computergestützte“ Anleitung unterscheiden sich nur in wenigen Pas- sagen, die den Versuchsaufbau und die Aufgabenstellung betreffen. Nur diese sind hier dokumen- tiert.) 2. Beschreibung eines Messverfahrens zur Bestimmung der Zeitkonstanten RC Zur Messung von RC kann man die in Abb.2 wiedergegebene Schaltung benutzen. Mit dieser Ver- suchsanordnung lässt sich die Kondensatorspannung UC, die gemäß (3) proportional zur Ladung Q ist, in Abhängigkeit von der Zeit aufzeichnen. Man muss hierzu UC über das CASSY Mess-Interface an einen Computer geben. Auf diesem kann dann der zeitliche Verlauf der Spannung dargestellt werden. Abb.2 Schaltung zur Aufnahme einer Entladekurve 4. Beschreibung einer Schaltung zur Messung der Frequenzabhängigkeit der Kondensatorspannung Die Frequenzabhängigkeit der Kondensatorspannung lässt sich mit Hilfe der in Abb.4 wiedergege- benen Schaltung untersuchen. Man legt dazu sowohl die Ausgangsspannung des Sinusgenerators U0 als auch die Kondensatorspannung UC an jeweils einen Eingang des Mess-Interfaces an und stelle auf dem Computer beide Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm dar. Für jede am Sinusgenerator eingestellte Frequenz lassen sich dann die Periodendauer (bzw. Fre- quenz) sowie die Amplituden von U0 und UC direkt aus dem Diagramm entnehmen. (Auch die Pha- senverschiebung ist natürlich abzulesen. Diese soll jedoch nach einem anderen gebräuchlichen Messverfahren bestimmt werden, siehe Abschnitt 5.). Abb.4 Schaltung zur Messung der Frequenzabhängigkeit der Kondensatorspannung und zur Mes- sung der Phasenbeziehung zwischen Erreger- und Kondensatorspannung 5. Beschreibung eines Messverfahrens zur Phasenbestimmung zwischen zwei Spannungen Zur Bestimmung der Phasenverschiebung  zwischen Generator- und Kondensatorspannung kann man die gleiche Schaltung wie in Abb. 4 benutzen. Wenn sich die Spannungen UX und UY an den Interface-Eingängen durch Interface Computer RC Uc(t) 9M  Rs<0)THEN(SIN(2*PI*Frequenz*TIME))ELSE(1) Spannung_am_Widerstand = Angelegte_Spannung-Kondensatorspannung Uo = 2.5 Widerstand = 67900 Ladung Stromstärke Widerstand Spannung am Widerstand Kondensatorspannung Kapazität Sinusspannung Frequenz Angelegte Spannung Uo ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)176 VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (TRADITIONELL) (vgl. FINKE, 1992) Anharmonische Schwingungen 1. Grundsätzliche Bemerkungen Ein schwingungsfähiges System heißt linear, wenn das zeitliche Verhalten seiner physikalischen Größen durch eine lineare Differentialgleichung mit konstanten Koeffizienten beschrieben werden kann. Ein bekanntes Beispiel stellt die Gleichung (11) in V 354 dar. Eine wesentliche Eigenschaft solcher Systeme ist ihre lineare Superpositionierbarkeit; das heißt, wenn x1(t) und x2(t) Lösungen einer Differentialgleichung sind, dann stellt auch Ax1(t) + Bx2(t)A, B  C eine Lösung dar. Anschaulich gesprochen bedeutet das: In einem linearen System beeinflussen sich verschiedene, gleichzeitig angeregte Schwingungen nicht. Eine wichtige Konsequenz aus diesem Verhalten ist beispielsweise die Tatsache, dass die Resonanzfrequenz einer erzwungenen linearen Schwingung nicht von ihrer Amplitude abhängt. Angenähert lineare Schwingungssysteme kann man in der Natur häufig beobachten, wenn die Schwingungsamplituden hinreichend klein bleiben. Der (umfassendere) Bereich der nicht-linearen Physik wird entsprechend durch nicht-lineare Diffe- rentialgleichungen beschrieben. Man überzeugt sich leicht, dass hier das Prinzip der linearen Super- ponierbarkeit ungültig ist. An seine Stelle treten jetzt neue und zum Teil spektakuläre 1 Phänomene. Abb. 1 Wesentlich ist, dass Schwingungsparameter, wie z. B. die Periodendauer, amplitudenabhängig wer- den. Eine weitere wichtige Eigenschaft anharmonischer Schwingungssysteme ist ihre Fähigkeit zur Anre- gung von Oberwellen, das heißt, Schwingungen mit der Frequenz n (n = 2, 3, ...), wobei  die Frequenz des antreibenden Systems bedeutet. Die Amplituden der Oberwellen hängen dabei in komplizierter Weise von einander ab. Noch vielfältiger werden die Erscheinungen, wenn die Erreger- funktion aus mehreren harmonischen Anteilen besteht wie zum Beispiel M(t) = M01cos(1t) + M02cos(2t +), 1  2 Man kann zeigen, dass das nicht-lineare System jetzt auch Schwingungen mit den Frequenzen n1  n2 (n, m = 0, 1, 2, ...) ausführen kann. Schwingungen mit n  0 und m  0 nennt man Kombinationsschwingungen. Unter speziellen Voraussetzungen (z. B. beim Überschreiten einer bestimmten Amplitudenschwelle) ist auch die Anregung sogenannter subharmonischer Schwingungen möglich; das sind Schwingungen 1 Lösungen nicht-linearer Bewegungsgleichungen zeigen häufig das Phänomen der Skaleninvarianz (auch Selbstähnlichkeit genannt), das heißt, eine Lösung x(t) hat die Eigenschaft x(t) = x(t), (  1,   0). Derartige Lösungen besitzen keinen natürlichen Zeitmaßstab mehr, wie sie z. B. die Zerfallskonstante  in der (linearen) radioaktiven Zerfallsgleichung darstellt. Das hat zur Konsequenz, dass eine Eigenschaft der Lösung, die in einem großen Zeitmaßstab zu beobachten ist, sich in je- dem noch so kleinen Maßstab wiederholen muss. Die Kurve x(t) stellt dann ein Gebilde dar, das aus geometrisch sich verfei- nernden Wiederholungen ad infinitum besteht (siehe Abb. 1). Die unendlich lange, in sich verschachtelte Kurve stellt weder eine Linie (Dimension 1) noch eine Fläche (Dimension 2) dar, sondern man ordnet ihr nach einer bestimmten Rechenvor- schrift eine „gebrochene“ Dimension zwischen 1 und 2 zu. Aus diesem Grunde bezeichnet man derartige Strukturen auch als Fraktale. VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (TRADITIONELL) 177 mit den Frequenzen /k (k= 1, 2, ...). Wird nun eine Oberwelle mit der Frequenz n so stark ange- regt, dass sie ihrerseits Subharmonische erzeugen kann, dann entstehen Schwingungen mit den Frequenzen n k  . Man bezeichnet diese häufig als Ultraharmonische. Wie man sieht, ist die Er- scheinungsvielfalt der anharmonischen Schwingung um ein Vielfaches größer als die der linearen. 2. Beschreibung eines anharmonischen, mechanischen Schwingungssystems. Am Beispiel eines Drehpendels (sogenanntes Pohlsches Rad) sollen im folgenden nicht-lineare Schwingungsphänomene untersucht werden. Das Gerät (siehe Abb. 2) besteht aus einer gut aus- gewuchteten Schwungscheibe aus Kupfer, die sich um eine horizontale Achse drehen kann. Die Scheibe wird durch eine Spiralfeder in einer Gleichgewichtslage gehalten. Mittels einer von einem Elektromotor angetriebenen Exzenterscheibe kann das Schwungrad über eine Schubstange und Abb. 2 einen Untersetzerhebel zu erzwungenen Schwingungen angeregt werden. Dabei soll das vom Motor auf die Schwungscheibe ausgeübte Drehmoment die Zeitabhängigkeit M(t) = M0 sin (t) besitzen. Das an sich lineare Schwingungssystem - das rücktreibende Drehmoment entsteht durch die Deformation einer Spiralfeder, für die das Hooksche Gesetz gilt MD = D (D = Federkonstante,  = 0 := Gleichgewichtslage) wird durch die Montage eines nahezu punktförmigen Zusatzgewichtes mg am Rand der Schwung- scheibe nicht-linear gemacht; denn das hier durch hervorgerufene Drehmoment hängt gemäß MG = -mgr sin() nicht-linear vom Auslenkungswinkel  ab. Zusätzlich zu der zwangsläufig vorhandenen Lagerreibung erzeugt eine Wirbelstrombremse ein wei- teres retardierendes Drehmoment. Durch Regelung des Feldstromes I des in Abb. 2 eingezeichneten Bremsmagneten kann man den Betrag der Dämpfung kontinuierlich einstellen. Wegen des Indukti- onsgesetzes ist das Bremsmoment proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rades MB = R(I)  ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)178 Während der Messung wird R(I) so eingestellt, dass MB viel größer als das durch die Lagerreibung verursachte Bremsmoment ist, welches nicht proportional zu  ist. Wenn das Trägheitsmoment des schwingenden Systems ist, lässt sich folgende Bewegungsglei- chung für das Pohlsche Rad formulieren  + MD + MG + MB = M(t) oder (1)  + R  +D - mgr sin() = M0 sin (t) (1) stellt eine inhomogene, nicht-lineare Differentialgleichung dar, deren Lösung sich nicht geschlos- sen darstellen lässt. Um dennoch allgemeine Aussagen über die Gestalt der Lösung machen zu kön- nen, wird man sich mit Näherungen begnügen müssen, bei denen ein Integration von (1) möglich ist; das soll im folgenden Kapitel versucht werden. 3. Näherungslösungen für die Bewegungsgleichung des Pohlschen Rades Bei dem hier beschriebenen Näherungsverfahren, welches in der Literatur unter der Bezeichnung harmonische Balance zu finden ist, versucht man die Differentialgleichung zu linearisieren, da sich für eine solche bekanntlich eine geschlossene Lösung angeben lässt. Man macht daher den Ansatz (2) (t) = A() cos(t) 2, worin A die (frequenzabhängige) Amplitude der Lösungsfunktion (t) bedeutet. Geht man mit die- sem Ansatz in (1) ein, so wird auch die nicht-lineare Funktion f mit (3) f() := mgr sin() eine periodische Funktion der Zeit. Da f stetig ist, kann diese Funktion in eine Fourier-Reihe (siehe V 351) entwickelt werden: (4)    f t a a k t b k tk k k        0 1 ( cos( ) sin( )). Da f(0) = 0 ist und  als gerade Funktion angesetzt wurde, sind alle bk = 0 und ebenso a0. Von den übrigen ak kann bei der harmonischen Balance nur a1 als von null verschieden angenommen werden, da es das Ziel ist, f als lineare Funktion  darzustellen; denn nur unter diesen Vorausset- zungen besitzt (4) die vereinfachte Form (5) f( t ) = a1 cos(t) oder wegen (2) f aA const  1   . Es muss jetzt noch der Fourier-Koeffizient a1 berechnet werden. Er ergibt sich gemäß des Fourier- schen Theorems zu (6)    a f t t dt1 0 2         ( ) cos . 2 (2) stellt für das vorliegende Problem eine brauchbare Näherung dar, denn wie eine genauere Rechnung zeigt, beträgt die Amplitude der Oberwelle mit 3 selbst bei A = 2 rad nur 2,2 % der Amplitude der Grundwelle. VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (TRADITIONELL) 179 Um das Integral in (6) berechnen zu können, wird man für sin() eine Taylor-Entwicklung ansetzen müssen. Die Anzahl der Glieder, die bei der Berechnung von a1 berücksichtigt werden müssen, rich- tet sich erstens nach der Genauigkeit, die man erreichen möchte und zweitens nach der Größe der Winkelamplitude A, die im Experiment auftritt. Die Rechnung soll zunächst einmal mit der einfachs- ten (nicht-linearen) Näherung ausgeführt werden, um die grundsätzlichen Eigenschaften der anhar- monischen Drehschwingungen kennenzulernen. Es gelte also (7) sin( )    1 6 3 Man bekommt damit für a1 aus (3), (6) und (7) a mgr t t t dt1 3 0 2 1 6         ( { } { } ) cos( ) und mit dem Lösungsansatz (2) für  a mgr A t A t dt1 2 3 4 0 2 1 6        ( cos ( ) cos ( )) wegen cos sin( ) sin( )4 38 1 4 2 1 32 4xdx x x x C    folgt a mgr A A1 3 1 8 ( ) . Damit wird f aA mgr A( ) ( )     1 21 18 , und man erhält von (1) die Näherung        ( ) sin( )    R D mgr A M t1 18 2 0 . Mit der Abkürzung (8) D D mgr mgrA    : 18 2 wird daraus (9)      sin( )  R D M t0 . (9) ist eine in  lineare Differentialgleichung, deren Lösung sich bekanntlich in der Form (10)    ( ) ( ) { })t A ei( t  , worin  den Winkel zwischen der Phase des Erregers und der des Schwingers bedeutet, schreiben lässt. Die ursprüngliche Nicht-Linearität des Problems zeigt sich hier in einer Amplitudenabhängig- keit des Koeffizienten vor . ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)180 Von großem Interesse für des Studium der anharmonischen Schwingungen ist zunächst die Abhän- gigkeit der Amplitude A von der Erregerfrequenz . Man erhält sie, wenn man die Lösungsfunktion (10) in (9) einsetzt ( ) ( )        2 0i R D Ae M ei t i t und den Beitrag des so erhaltenen komplexen Gleichung bildet (11) A D R M( )    2 2 2 2 0 . Wenn man jetzt die ursprüngliche Bedeutung der Größe D* aus (8) in (11) einsetzt, erhält man eine Gleichung 3. Grades für A2: (12) A D mgr mgrA R M2 2 2 2 2 2 0 21 8              . Der aufgrund der Beziehung (12) kompliziert erscheinende Zusammenhang zwischen A und  soll im folgenden diskutiert werden: Geht man zunächst von niedrigen Frequenzen aus, so dass die Terme mit 4 und 2 in (12) vernachlässigt werden können, dann gilt A D mgr mgrA M( )  18 2 0 Wählt man auch M0 nicht zu groß, dann wird schließlich 1 8 2mgrA D mgr  , und es zeigt sich, dass für  0 die Amplitude dem Grenzwert    lim A MD mgr 0 zustrebt. Für   überwiegt das Glied 24 in (12). Damit (12) endlich bleibt, muss daher A2 für   gegen 0 gehen. Im Grenzfall sehr kleiner und sehr großer Frequenzen ergibt sich also eine Frequenzabhängigkeit der Amplitude, wie man sie von den linearen Schwingungen her kennt. We- sentliche Abweichungen treten bei mittleren Frequenzen auf, wo keine Terme in (12) vernachlässigt werden können. Da (12) eine Gleichung 3. Grades für A2 darstellt, müssen da A  0 ist, im allge- meinen 3 Lösungen für A bei einer gegebenen Kreisfrequenz existieren. Im einfachsten Fall wird da- her die Frequenzabhängigkeit der Amplitude einer anharmonischen Schwingung eine der beiden in Abb.3 dargestellten Gestalten haben. Es zeigt sich jedoch, dass nicht der gesamte Kurvenverlauf in Abb. 3 physikalisch real ist. Bewegt man sich beispielsweise in Abb. 4a von  = 0 kommend in Richtung wachsender Fre- quenz, so gelangt man bis zu einem Punkt A*, wo die Kurve eine vertikale Tangente besitzt. An dieser Stelle „springt“ die Amplitude unstetig auf den unteren Teil der Kurve zum Punkt A**. Das gestrichelt gezeichnete Kurvenstück von A* nach A** beschreibt einen instabilen Bewegungszu- stand des Systems. Es kann nicht durchlaufen werden. Ein entsprechendes Verhalten beobachtet man, wenn man sich gemäß Abb. 4b von hohen Frequenzen kommend dem Punkt A´ nähert, wo die Kurve ebenfalls eine vertikale Tangente besitzt. Hier springt die Amplitude auf den Wert A´´ hoch, um dann längs der Kurve bis zum Wert M0/(D-mgr) abzunehmen. Es bleibt anzumerken, das es sich bei der in Abb. 3 und 4 dargestellten Größe A um die stationäre Amplitude handelt, die sich für t  nach dem Abklingen der Einschwingungsvorgänge ausbildet. VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (TRADITIONELL) 181 Für die numerische Berechnung der Amplitudenkurve nach Abb. 3 ist es zweckmäßiger, die Glei- chung (11) nach 2 aufzulösen, da (11) quadratisch in 2 ist. Man berechnet also zu einer gegebe- nen Amplitude die zugehörigen Frequenzen. Es ergibt sich nun        1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 22 2/ * * *         D R D R D M A oder wenn man die Abkürzung D* durch den vollständigen Ausdruck (8) ersetzt (13)        1 2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 0 2 2 1 1 8 2 8 4/            D mgr mgrA R mgrR DR mgrR A R MA Man erkennt an (13), dass im allgemeinen für 2 und damit auch für  (da   0) bei gegebenem A zwei Lösungen existieren (siehe Abb. 3). Für sehr kleine A wächst jedoch der Term M A02 2 und damit der Radikand in (13) über alle Grenzen. In diesem Falle liefert nur noch das positive Vorzeichen vor der Wurzel eine physikalisch sinnvolle Lösung; das heißt, bei hinreichend hohen Frequenzen exis- tierst zu jedem A nur ein . Weiterhin lässt sich aus (13) folgern, dass A beschränkt sein muss; denn mit wachsendem A wird wegen des Gliedes  1 8 2 2mgrR A  der Radikand irgendwann negativ. Den Maximalwert von A erreicht man an der Stelle, wo der Radikand gerade verschwindet. Das ergibt folgende Bestimmungsgleichung für Amax mgrA D mgr R A R Mmax max 4 2 2 2 0 28 4 8 0          ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)182 Schließlich ist auch noch das Frequenzverhalten der Phase  zwischen Erreger und Schwinger bei der Diskussion anharmonischer Schwingungen von Interesse. Zur Berechnung von  setzt man die Lösungsfunktion (10) in die Bewegungsgleichung (9) ein und bekommt                          2 0 0A i RA D A t i t M t iM t* cos sin cos sin  Für den Realteil gilt somit die Beziehung (14)                   2 0A t D A t RA t M tcos * cos sin sin   Die Gleichung (14) muss für alle t gültig sein. So folgt zum Beispiel für t = /2         2 0A D A RA  * sin cos  oder tan( ) *     R D2 Man kann jetzt noch D* durch (8) ausdrücken und bekommt schließlich (15)            arctan R D mgr mgrA2 218 Man erkennt an (15), dass das Ziel,  als Funktion von  darzustellen, nicht erreichbar ist, da für A nur eine implizite Bestimmungsgleichung, nämlich (12), existiert. Zur numerischen Berechnung von  wird man daher A vorgeben müssen, daraus nach (13)  errechnen und die erhaltenen Wertepaa- re (,A) in (15) einsetzen. Wie schon zuvor erwähnt, gibt es für viele (aber nicht alle) A-Werte je- weils zwei Frequenzen, die durch das alternierende Vorzeichen vor der Wurzel in (13) bedingt sind. Man bekommt daher bei der Berechnung von  = F() zwei Kurvenäste heraus, die unterschiedli- che Frequenzbereiche abdecken. Für das Frequenzintervall 0    min ist Gleichung (13) mit der negativen Wurzel zu verwenden, für den Bereich max     ist hingegen die positive Wurzel er- forderlich. Es zeigt sich, dass max zumeist kleiner als min ist, woraus folgt, dass für bestimmte Frequenzen mindestens zwei Phasenwerte existieren müssen. Es werden daher auch in der Phasen- kurve instabile Bereiche auftreten, die vom Schwingungssystem nicht durchlaufen werden können. Weiterhin ist zu beachten, dass die arctan-Funktion vieldeutig ist. Zu jedem x gibt es unendlich viele -Werte, die die Gleichung  = arctan(x) erfüllen, diese unterscheiden sich alle um ganzzahlige Vielfache von . Das bedeutet: Die Phase zwischen Schwinger und Erreger ist durch (15) nicht ein- deutig festgelegt. Es zeigt sich aber, dass wie bei einem linearen Schwingungssystem für  0  0 und für   ||  geht. Um die oben erwähnten Kurvenäste aneinander anzuschließen, ist es zweckmäßig von allen Winkelwerten, die man aus (15) unter Verwendung der positiven Wur- zel erhält,  abzuziehen. 4. Aufgabe Man messe Amplitude und Phase einer anharmonischen Drehschwingung in Abhängigkeit von der Frequenz und vergleiche die Messergebnisse mit gerechneten Werten. Von Interesse ist dabei der Frequenzbereich von 0,25 bis 0,75 Hz. Es ist jeweils eine Messung mit wachsender und eine mit fallender Frequenz erforderlich. Bei der Wirbelstrombremse stelle man einen Feldstrom von I = 230 mA ein. 5. Angaben zur Apparatur Eine Prinzipskizze der Apparatur ist in Abb. 2 wiedergegeben. Der Antrieb des Schwingers erfolgt durch einen Gleichstrommotor, der aus einem spannungsgeregelten Netzteil gespeist wird. Die Peri- odendauer T des Treibers lässt sich mit Hilfe einer Gabellichtschranke, die am Exzenter montiert ist, und einer elektronischen Zeitmessvorrichtung bestimmen. Am Steuergerät für das Pohlsche Rad VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (TRADITIONELL) 183 muss für eine T-Messung der Funktionsschalter in der Stellung „Periodendauer des Treibers“ ste- hen. An der Zeitmessvorrichtung befindet sich ebenfalls ein Funktionswahlschalter. Dieser muss für die oben genannte Messung in der Stellung „PERIOD-B“ stehen. Eine ausreichende Auflösung er- reicht man mit einer Zeitbasis von 1 ms. Die Amplitude muss an einer Winkelskala abgelesen wer- den, die (leider) eine willkürliche Skalenteilung besitzt. Der Umrechnungsfaktor lautet: 1Skt := 0,1257 rad. Es ist notwendig, die Ausschläge des Schwingers links und rechts vom Nullpunkt ab- zulesen und als Amplitude den Wert A = 1/2 (l + r) anzugeben. Unmittelbar nach einer Änderung der Drehzahl des Treibermotors ist es nicht sinnvoll, die Schwingungsamplitude abzulesen, da zunächst die Einschwingvorgänge abklingen müssen, ehe A einen stationären Wert annimmt. Wegen der relativ hohen Periodendauer von T > 1 s und der niedrigen Dämpfung können sich die Einschwingvorgänge über einen Zeitraum von 1 bis 2 min erstrecken. Während dieser Zeit ist die Momentanamplitude stärkeren Schwankungen unterworfen. Eine unmittelbare Messung von  ist mit der vorliegenden Apparatur leider nicht möglich. Sie ges- tattet nur, den Zeitraum T zu messen, der zwischen den Nulldurchgängen vor Treiber und Schwin- ger auftritt. Zu diesem Zweck ist am Schwinger eine weitere Gabellichtschranke angebracht, die genau dann einen elektrischen Impuls (hier „Stoppimpuls“ genannt) an den Zeitmesser liefert, wenn die Schwungscheibe durch ihre Gleichgewichtslage geht. Um T zu messen, bringt man erstens den Schalter am Steuergerät in die Stellung „Zeitdifferenz der Nulldurchgänge von Treiber und Rad“ und zweitens den Funktionswähler am Zeitmesser in die Stellung „T.INT.-B-C“. Der Multiplikator sollte auf „10°“ stehen. die gesuchte Phase  ergibt sich dann aus T zu  = 2 T/T bzw.  = 360 T/T. 6. Bestimmung von apparativen Kenngrößen Um die Amplituden- und Phasenkurven berechnen zu können, müssen einige Parameter in den maß- gebenden Gleichungen (13) und (15) bekannt sein. Diese sind nur durch zusätzliche Messungen zu bestimmen. Im einzelnen handelt es sich im das Trägheitsmoment 0 der Schwungscheibe, die Fe- derkonstante D, die Masse m des Ballastkörpers, seinen Abstand r von der Drehachse, den Rei- bungskoeffizienten R und die Amplitude M0 des antreibenden Drehmoments. Die Größe r kann an der vorhandenen Apparatur nicht verändert werden. Sie beträgt r = 98 mm. Die Masse m lässt sich mit einer Waage bestimmen. Die Federkonstante D bekommt man aus einer Messreihe, bei der man die Spiralfeder durch Monta- ge von Zusatzgewichten mig an der Peripherie der Schwungscheibe elastisch verformt und die stati- sche Auslenkung des Rades in Abhängigkeit von mi abliest (siehe Abb. 5). Der Gleichgewichtszustand des Systems ist gegeben durch   D mgri i i  sin worin     i l ri j  1 2 bedeutet. Man variiere mi zwischen 30 und 65 g, errechne Di aus  D m gri i i i  sin   und bilde den Mittelwert aus den Einzelergebnissen. ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)184 Abb. 5 Wenn D bekannt ist, lässt sich 0 aus einer Periodendauermessung T0 errechnen. Es gilt (siehe z. B. V 102, p. 4) (16) T D0 2 2 04   . Zur Messung von T0 wird die an der Schwungscheibe montierte Gabellichtschranke an das Zeit- messgerät geschaltet. Dazu muss der Schalter am Steuergerät in die Stellung „Schwingungsdauer des Rades“ gebracht werden, während der Funktionswahlschalter am Zeitmesser in der Position „PERIOD-B“ stehen muss. Da (16) nur für harmonische Schwingungen gültig ist, muss vor Beginn dieser Messung das Zusatzgewicht mg entfernt werden. In die Gleichung (15) hat man jedoch das Trägheitsmoment des gesamten schwingenden Systems einzusetzen. Dieses setzt sich zusammen aus 0 und dem Trägheitsmoment Z, das durch die Befestigung der Zusatzmasse m an der Schwungscheibe entsteht. Da man m näherungsweise als punktförmig annehmen darf, gilt nach dem Steinerschen Satz Z mr 2 und damit   0 2mr Die Amplitude M0 des Erregers bestimmt man ebenfalls aus einer Messung an einer harmonischen Schwingung (m=0). Hier muss jedoch  so niedrig gemacht werden, dass   0 und   0 sind. Ein Wert von   0,1 Hz ist ausreichend niedrig. Die Bewegungsgleichung (9) vereinfacht sich unter diesen Voraussetzungen zu D = M0 sin(t) oder (17) DA0sin(t) = M0 sin(t). Man kann somit M0 gemäß (17) aus der Federkonstanten D und der quasistatischen Amplitude A0 errechnen. Etwas mehr Aufwand erfordert es, die Dämpfungskonstante R zu bestimmen. Hier wird ebenfalls eine harmonische Schwingung untersucht. Vor Beginn der Messreihe stellt man den geforderten Feldstrom für die Wirbelstrombremse ein. Sodann regt man das System zu einer freien, gedämpften Schwingung an, indem man die Schwungscheibe mit der Hand um ca. 180° aus der Ruhelage dreht. Man misst nun die Amplitude A(t) in Abhängigkeit von der Zeit t. Mit den erhaltenen Werte- paaren {ln A(t), t} führt man eine lineare Ausgleichsrechnung durch. Da die Lösung der für die freie Schwingung gültigen Bewegungsgleichung        R D 0 bekanntlich die Gestalt VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (TRADITIONELL) 185 (18)   ( ) exp cost A R t T tf f      2 2 0 3 hat (siehe z. B. V 354), liefert die Regression das Ergebnis    R D2 aus dem sich R errechnen lässt. Vor Beginn der Rechnung trage man in einem Diagramm lnA gegen t auf um festzustellen, ob systematische Abweichungen von der Beziehung (18) zu erkennen sind. Solche sind insbesondere bei kleinen Amplituden zu erwarten, da hier die Haftreibung in den Lagern dominiert, welche nicht geschwindigkeitsproportional ist. Anhand des Diagramms entscheide man, welche Messwertepaare bei der Regression nicht berücksichtigt werden sollen. 7. Hinweise zur Auswertung Man trage in einem linearen Diagramm die Maßwerte der Amplitude A (Maßeinheit: rad) gegen die Frequenz  auf, wobei die Messpunkte, die bei einer Messung mit wachsender Frequenz gewonnen wurden, anders gekennzeichnet werden sollten als diejenigen, die aus einer Messreihe mit fallender Frequenz stammen. Ein entsprechendes Diagramm zeichne man für die Phase . In die Diagramme trage man außerdem die aus den Formeln (13) und (15) errechneten Kurven ein. Wie gut ist die Ü- bereinstimmung? Treten in bestimmten Frequenzbereichen systematischen Abweichungen auf? Eine mögliche Ursache dafür könnte in der unzureichenden Näherung (7) begründet sein. So beträgt z. B. der Fehler der Näherung (7) bei A = /2 nur -7,5%, bei A = 2 bereits -27 % und bei A = 2,5 so- gar -117%. Daraus kann sich die Notwendigkeit ergeben, mit höheren Näherungen für die sin- Funktion zu rechnen zum Beispiel mit (19) sin( ) ! !      1 3 1 5 3 5 Es müsste dann a1 aus (6) neu bestimmt werden. Im Falle der Näherung (19) wäre a1 um das Glied        mgr A t dt 0 2 5 61 120 cos zu ergänzen. Wegen cos sin( ) sin( ) sin( )6 516 15 64 2 3 64 4 1 192 6xdx x x x x C     ist jetzt a mgr A A A1 3 5 1 8 1 192  ( ). Literatur Magnus; Schwingungen; B. G. Teubner 1969 E. Meyer, D. Guicking; Schwingungslehre; F. Vieweg + Sohn 1974 3 Wobei Tf in guter Näherung dem Wert aus (16) entspricht ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)186 VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (COMPUTERGESTÜTZT) (Die „traditionelle“ und die „computergestützte“ Anleitung unterscheiden sich nur in wenigen Pas- sagen, die den Versuchsaufbau und die Aufgabenstellung betreffen. Nur diese sind hier dokumen- tiert.) 2. Beschreibung eines anharmonischen, mechanischen Schwingungssystems. Am Beispiel eines Drehpendels (sogenanntes Pohlsches Rad) sollen im folgenden nicht-lineare Schwingungsphänomene untersucht werden. Das Gerät (siehe Abb. 2) besteht aus einer gut aus- gewuchteten Schwungscheibe aus Kupfer, die sich um eine horizontale Achse drehen kann. Die Scheibe wird durch eine Spiralfeder in einer Gleichgewichtslage gehalten. An der Achse des Dreh- pendels greift ein reibungsarmer Drehpotentiometer eine zum Auslenkung proportionale Spannung ab. Mittels einer von einem Elektromotor angetriebenen Exzenterscheibe kann das Schwungrad über eine Schubstange und einen Untersetzerhebel zu erzwungenen Schwingungen angeregt werden. Dabei soll das vom Motor auf die Schwungscheibe ausgeübte Drehmoment die Zeitabhängigkeit M(t) = M2 sin(t) besitzen. Das an sich lineare Schwingungssystem - das rücktreibende Drehmoment entsteht durch die Deformation einer Spiralfeder, für die das Hooksche Gesetz gilt MD = D - (D = Federkonstante,  = 0 := Gleichgewichtslage) wird durch die Montage eines nahezu punktförmigen Zusatzgewichtes mg am Rand der Schwung- scheibe nicht-linear gemacht; denn das hier durch hervorgerufene Drehmoment hängt gemäß MG = -mgr sin() nicht-linear vom Auslenkungswinkel  ab. Abb. 2 Zusätzlich zu der zwangsläufig vorhandenen Lagerreibung erzeugt eine Wirbelstrombremse ein wei- teres retardierendes Drehmoment. Durch Regelung des Feldstromes I des in Abb. 2 eingezeichneten Bremsmagneten kann man den Betrag der Dämpfung kontinuierlich einstellen. Wegen des Indukti- onsgesetzes ist das Bremsmoment proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rades MB = R(I)  Exzenter Gleichstrommotor Gabellicht- schranke Feldstrom Drehzahl Spannungs -regler Schubstange Untersetzungshebel Bremsmagnet Schwungscheibe Zusatzgewicht Drehpotentiometer Spiralfeder r Interface Computer B C 1|2|3|4| Period Zeitmeßgerät Steuergerät VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (COMPUTERGESTÜTZT) 187 Während der Messung wird R(I) so eingestellt, dass MB viel größer als das durch die Lagerreibung verursachte Bremsmoment ist, welches nicht proportional zu  ist. Wenn das Trägheitsmoment des schwingenden Systems ist, lässt sich folgende Bewegungsglei- chung für das Pohlsche Rad formulieren  + MD + MG + MB = M(t) oder (1)  + R  +D - mgr sin() = M0 sin (t) stellt eine inhomogene, nicht-lineare Differentialgleichung dar, deren Lösung sich nicht geschlossen darstellen lässt. Um dennoch allgemeine Aussagen über die Gestalt der Lösung machen zu können, wird man sich mit Näherungen begnügen müssen, bei denen eine Integration von (1) möglich ist; das soll im folgenden Kapitel versucht werden. 5. Angaben zur Apparatur Eine Prinzipskizze der Apparatur ist in Abb. 2 wiedergegeben. Der Antrieb des Schwingers erfolgt durch einen Gleichstrommotor, der aus einem spannungsgeregelten Netzteil gespeist wird. Die Peri- odendauer T des Treibers lässt sich mit Hilfe einer Gabellichtschranke, die am Exzenter montiert ist, und einer elektronischen Zeitmessvorrichtung bestimmen. Die Amplitude wird als Potentiometer- spannung über das Interface an den Computer gegeben. Der Umrechnungsfaktor lautet: 1V := 0,31416 rad. Es ist notwendig, die Ausschläge des Schwingers links und rechts vom Nullpunkt ab- zulesen und als Amplitude den Wert A = 1/2 (l + r) anzugeben. Unmittelbar nach einer Änderung der Drehzahl des Treibermotors ist es nicht sinnvoll, die Schwingungsamplitude abzulesen, da zunächst die Einschwingvorgänge abklingen müssen, ehe A einen stationären Wert annimmt. Wegen der relativ hohen Periodendauer von T > 1 s und der niedrigen Dämpfung können sich die Einschwingvorgänge über einen Zeitraum von 1 bis 2 min erstrecken. Während dieser Zeit ist die Momentanamplitude stärkeren Schwankungen unterworfen. Zur Messung der Phase wird über die Lichtschranke und das Potentiometersteuergerät an den Ein- gang C des Interfaces immer dann ein Spannungspeak gegeben, wenn der Erreger seinen Null- durchgang hat. Dieser Peak gestattet es, im Schwingungsdiagramm den Zeitraum T zu messen, der zwischen den Nulldurchgängen vor Treiber und Schwinger auftritt. Die gesuchte Phase  ergibt sich dann aus T zu  = 2 T/T bzw.  = 360 T/T. 6. Bestimmung von apparativen Kenngrößen Um die Amplituden- und Phasenkurven berechnen zu können, müssen einige Parameter in den maß- gebenden Gleichungen (13) und (15) bekannt sein. Diese sind nur durch zusätzliche Messungen zu bestimmen. Ihre genauen Werte sollen zu Beginn des Versuchs ermittelt werden. Im Einzelnen han- delt es sich um das Trägheitsmoment 0 der Schwungscheibe, die Federkonstante D, die Masse m des Ballastkörpers, seinen Abstand r von der Drehachse, den Reibungskoeffizienten R und die Amp- litude M0 des antreibenden Drehmomentes. Die Größe r kann an der vorhandenen Apparatur nicht verändert werden. Sie beträgt r = 98 mm. Die Masse m lässt sich mit einer Waage bestimmen. Die Federkonstante D bekommt man aus einer Messreihe, bei der man die Spiralfeder durch Monta- ge von Zusatzgewichten mig an der Peripherie der Schwungscheibe elastisch verformt, die statische Auslenkung des Rades in Abhängigkeit von mi misst (siehe Abb. 5) und in eine ORIGIN-Tabelle ein- trägt. Der Gleichgewichtszustand des Systems ist gegeben durch   D mgri i i  sin ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)188 worin     i l ri i  1 2 bedeutet. Man variiere mi zwischen 30 und 65 g, errechne sofort Di aus  D m gri i i i  sin   und bilde den Mittelwert aus den Einzelergebnissen. Abb. 5 Wenn D bekannt ist, lässt sich 0 aus einer Periodendauermessung T0 sofort errechnen. Es gilt (sie- he z. B. V 102, p. 4) (16) T D0 2 2 04   . Die Messung von T0 erfolgt durch eine Periodendauermessung im Schwingungsdiagramm des Com- puters. Da (16) nur für harmonische Schwingungen gültig ist, muss vor Beginn dieser Messung das Zusatzgewicht mg entfernt werden. In die Gleichung (15) hat man jedoch das Trägheitsmoment des gesamten schwingenden Systems einzusetzen. Dieses setzt sich zusammen aus 0 und dem Trägheitsmoment Z, das durch die Befestigung der Zusatzmasse m an der Schwungscheibe ent- steht. Da man m näherungsweise als punktförmig annehmen darf, gilt nach dem Steinerschen Satz Z mr 2 und damit   0 2mr Die Amplitude M0 des Erregers bestimmt man ebenfalls aus einer Messung an einer harmonischen Schwingung (m = 0). Hier muss jedoch  so niedrig gemacht werden, dass   0 und   0 sind. Ein Wert von   0,1 Hz ist ausreichend niedrig. Die Bewegungsgleichung (9) vereinfacht sich unter diesen Voraussetzungen zu D = M0 sin(t) oder (17) DA0sin(t) = M0 sin(t). Man kann somit M0 gemäß (17) aus der Federkonstanten D und der quasistatischen Amplitude A0, die man im Schwingungsdiagramm ausmisst, sofort errechnen VERSUCHSANLEITUNG ZU VERSUCH II (COMPUTERGESTÜTZT) 189 Etwas mehr Aufwand erfordert es, die Dämpfungskonstante R zu bestimmen. Hier wird ebenfalls eine harmonische Schwingung untersucht. Vor Beginn der Messreihe stellt man den geforderten Feldstrom für die Wirbelstrombremse ein. Sodann regt man das System zu einer freien, gedämpften Schwingung an, indem man die Schwungscheibe mit der Hand um ca. 180° aus der Ruhelage dreht. Man misst nun die Amplitude A(t) in Abhängigkeit von der Zeit t. Das Schwingungsdiagramm (bzw. die Tabellenwerte) der gedämpften Schwingung übertrage man in ORIGIN, stelle die Werte- paare {A(t), t} halblogarithmisch dar und führe eine lineare Ausgleichsrechnung durch. Da die Lö- sung der für die freie Schwingung gültigen Bewegungsgleichung        R D 0 bekanntlich die Gestalt (18)   ( ) exp cost A R t T tf f      2 2 0 *) hat (siehe z. B. V 354), liefert die Regression das Ergebnis    R 2 0 aus dem sich R errechnen lässt. Man führe die Berechnung von R sofort aus und stelle dabei auch fest, ob systematische Abweichungen von der Beziehung (18) zu erkennen sind. Solche sind insbe- sondere bei kleinen Amplituden zu erwarten, da hier die Haftreibung in den Lagern dominiert, wel- che nicht geschwindigkeitsproportional ist. Anhand des Diagramms entscheide man, welche Mess- wertepaare bei der Regression nicht berücksichtigt werden sollen. *) Wobei Tf in guter Näherung dem Wert aus (16) entspricht ANHANG 1 (ZU DEN PRAKTIKUMSEXPERIMENTEN)190 STELLA-MODELL ZU VERSUCH II Graphische Programmebene: Formale Programmebene: Auslenkung_rad(t) = Auslenkung_rad(t - dt) + (Winkelgeschwindigkeit) * dt INIT Auslenkung_rad = 0 INFLOWS: Winkelgeschwindigkeit = w w(t) = w(t - dt) + (Winkelbeschleunigung) * dt INIT w = 0 INFLOWS: Winkelbeschleunigung = Gesamtmoment/Trägheitsmoment Antriebsmoment = Erregermoment*SIN(2*PI*Erregerfrequenz_Hz*TIME) {J} Dämpfungskoeffizient = 0.000141{kgm^2/s} Dämpfungsmoment = -Dämpfungskoeffizient*w {J} Erregermoment = 0.00145 {J} Federhärte = 0.02884 {J} Federmoment = -Federhärte*Auslenkung_rad {J} Gesamtmoment = Antriebsmoment+Dämpfungsmoment+Federmoment+Zusatzmoment Radius = 0.098 {m} Trägheitsmoment = 0.001596 {kgm^2} Zusatzmasse = 0.0156 {kg} Zusatzmoment = Zusatzmasse*9.81*Radius*SIN(Auslenkung_rad) {J} Erregerfrequenz_Hz = GRAPH(TIME) (0.00, 0.4), (180, 0.45), (360, 0.5), (540, 0.55), (720, 0.6), (900, 0.65), (1080, 0.65) Auslenkung rad Winkelgeschwindigkeit w Winkelbeschleunigung Trägheitsmoment GesamtmomentDämpfungsmoment Antriebsmoment Federmoment Federhärte ~ Erregerfrequenz Hz Erregermoment Dämpfungskoeffizient Radius Zusatzmoment Zusatzmasse Anhang 2  Fragebogen zu Computerkenntnissen ANHANG 2192 COMPUTERFRAGEBOGEN Ich habe einen Computer zu Hause stimmt  stimmt nicht  Ich arbeite mit dem Computer regelmäßig  ab und zu  nie  Ich arbeite gerne mit dem Computer ja  geht so  nein  Ich komme mit der Maus klar gut  geht so  überhaupt nicht  weiß nicht  Ich komme mit Windows klar gut  geht so  überhaupt nicht  weiß nicht  Ich arbeite mit dem Computer wie folgt (zutreffendes ankreuzen): Textverarbeitung/Schreiben  Programmieren  Spielen  Zeichnen/Entwerfen  Tabellenkalkulation/Mathematikprogramme  Ich kenne die Programme (zutreffendes ankreuzen): Word  Excel  Latex  Origin  Cassy  Stella  Netscape  Ich kann umgehen mit den Programmen (zutreffendes ankreuzen): Word  Excel  Latex  Origin  Cassy  Stella  Netscape  Ich benutze E-Mail stimmt  stimmt nicht  Im Physikstudium sollte mehr mit Computern gemacht werden stimmt  stimmt nicht  In welcher Form ? .................................................................................... .................................................................................... Anhang 3 (zur Videoanalyse)  Kategoriesystem A zur Analyse der Tätigkeiten  Kategoriesystem B zur Analyse der Sprechhandlun- gen  Fallbeispiele für die Anwendung der Kategorien B ANHANG 3 (ZUR VIDEOANALYSE)194 KATEGORIESYSTEM ZUR ERFASSUNG DER TÄTIGKEITEN Kategorie X (versuchsfremde Aktivitäten) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn tut etwas, das nichts mit dem Versuch zu tun hat und ihre Aufmerksamkeit ist nicht auf das Experiment gerichtet. Trifft auch zu, wenn die Vpn abwesend ist. Ankerbeispiele  geht aus dem Raum  kramt im Rucksack  (es läuft Einschwingvorgang) schaut gelangweilt in die Luft oder woanders hin  unterhält sich mit Partner über gestern Abend  bespricht mit einem anderen Tutor das Protokoll von letzter Woche  sitzt unbeteiligt da Gegenbeispiele  (es läuft Einschwingvorgang) sagt nichts, aber sieht aufmerksam dem Pendel zu ( Kategorie ME) Kriterien für Zweifelsfälle Es darf nicht sein, dass die Tätigkeit X angekreuzt ist, als Sprechhand- lung aber eine andere Kategorie als X. Treten in einem Zeitschritt von 30 Sekunden noch weitere Tätigkeiten auf, so sind diese der Tätigkeit X vorzuziehen. sonstiges Abwesenheit wird zusätzlich gekennzeichnet. Kategorie 3P (Dritte Person) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn unterhält sich mit dem Tutor oder mit anderen Studierenden. Trifft auch zu, wenn der Tutor eine Tätigkeit ausführt und die Vpn sich dazu äußert. Ankerbeispiele  Tutor hilft, ein technisches Problem zu lösen  Tutor fragt nach etwas  andere Studierende kommen hinzu und fragen etwas zum Versuch  Tutor stellt etwas am Versuchsaufbau ein, und die Vpn fragt ihn etwas Gegenbeispiele  Tutor steht dabei und spricht, die Vpn sagt aber nichts und setzt ihre Tätigkeit fort ( der Tätigkeit entsprechende Kategorie) Kriterien für Zweifelsfälle Hätte die Vpn das auch getan bzw. gesagt, wenn die dritte Person nicht da gewesen wäre? Wenn ja  andere Kategorie. Treten in einem Zeitschritt von 30 Sekunden noch weitere Tätigkeiten auf, die etwa die gleiche Zeit einnehmen, so sind diese (außer im Fall von X oder CMA) der Tätigkeit 3P vorzuziehen. Kategorie LG (Labguide) Beschreibung/ Abgrenzung Vpn liest in/beschäftigt sich mit der Praktikumsanleitung. Ankerbeispiele  schlägt etwas in der Anleitung nach  liest etwas daraus vor Gegenbeispiele  blickt nur kurz (zwei, drei Sekunden) in die Anleitung und wendet sich wieder dem Messen zu ( Kategorie ME) KATEGORIESYSTEM ZUR ERFASSUNG DER TÄTIGKEITEN 195 Kategorie SL (Schreiben/Lesen) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn liest (nicht in der Anleitung!) oder schreibt Text oder Datenrei- hen ab bzw. auf, oder fertig eine Wertetabelle an. Ankerbeispiele  liest Sätze aus dem Versuchsprotokoll vor  schreibt Messwerte vom Bildschirm ab  diktiert etwas (z.B. Messwerte)  tippt Werte vom Blatt in den Computer ein  schreibt am Versuchsprotokoll  fertigt Wertetabelle an Gegenbeispiele  Messwerte vom Messgerät ablesen und aufschreiben ( Kategorie ME)  Rechnet etwas aus, z.B. mit dem Taschenrechner ( DM)  zeichnet einen Graphen ( DM)  liest in der Anleitung ( LG)  schaut beim Einschwingvorgang aufs Pendel und liest auf der Skala ab ( ME) Kategorie MA (Manipulieren) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn hantiert mit oder manipuliert an den Geräten und Objekten des Versuchsaufbaus. Die Vpn bereitet eine Messung vor. Die Vpn macht eine kurze Kontrollmessung, z.B. liest zur Probe einige Werte ab, ohne sie festzuhalten. Die Vpn ändert Einstellungen der Parameter der Mes- sung oder der Simulation. Trifft auch auf die Einstellung von Messbe- reichen in CASSY und auf das Einstellen von Simulationsbereichen in STELLA zu. Ankerbeispiele  stellt Messbereich ein  baut Schaltung auf  bewegt Geräte auf dem Tisch  (in STELLA) stellt Simulationsdauer ein  ändert den Zeitschritt der Messwertaufnahme in CASSY Gegenbeispiele  Messung ( ME)  (mit Computer) kopieren ( CMA)  (mit Computer) Datei abspeichern ( CMA) Kriterien für Zweifelsfälle Macht die Vpn eine Handbewegung zur Apparatur? Wenn nein  ande- re Kategorie. Kategorie ME (Messen) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn nimmt systematisch Messwerte auf, d. h. Messwerte werden abgelesen und schriftlich oder verbal festgehalten bzw. bewertet. In der Regel geht eine Manipulationsphase (MA) voraus. Auch Probemes- sungen fallen unter die Kategorie ME, wenn sie länger als nur einige Sekunden dauern. In STELLA trifft die Kategorie zu, wenn eine Simulati- on durchgeführt wird (Befehl model run). Das Abwarten von Ein- schwingvorgängen fällt unter diese Kategorie, wenn dabei die Vpn ihre Aufmerksamkeit auf das Experiment richtet und keine der anderen Tä- tigkeitskategorien zutrifft. Ankerbeispiele  liest systematisch Messwerte ab  betrachtet eine aufgenommene Kurve oder Messreihe ANHANG 3 (ZUR VIDEOANALYSE)196  sieht auf den Bildschirm während die Computermessung läuft  liest Pendelausschlag ab und schreibt Wert auf  liest Messwerte ab und tippt sie in den Taschenrechner ein  (es läuft der Einschwingvorgang) schaut interessiert auf das Pendel  kopiert die Messwerte von CASSY nach ORIGIN Gegenbeispiele  wird beim Ablesen stutzig und dreht an Einstellknöpfen ( Katego- rie MA)  macht nur eine kurze Probemessung und wendet sich dann wieder dem Einstellen an der Apparatur zu ( MA) Kriterien für Zweifelsfälle Verläuft die Werteaufnahme verläuft problemlos (d.h. die Apparatur „tut was sie soll“)? Wenn nein  überprüfen, ob MA zutrifft (siehe zweites Gegenbeispiel). Ist nicht entscheidbar, ob MA oder ME zutrifft, so ist ME anzukreuzen. Kategorie DM (Datenmanipulation; Auswertearbeiten) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn tut etwas mit bereits aufgenommenen Messwerten oder ande- ren Daten (etwa in der Anleitung vorgegebenen Werten). Die Vpn rech- net (etwa mit Taschenrechner) oder beschäftigt sich mit Formeln. An- sonsten alle schreib- oder leseähnlichen Aktivitäten, die nicht unter die Kategorie SL fallen. Ankerbeispiele  zeichnet einen Graphen  selektiert Werte aus der Messtabelle und schneidet sie aus  fertigt einen Graph mit ORIGIN an  rechnet mit dem Taschenrechner  rechnet Werte oder Größen um  benutzt den Formeleditor in ORIGIN  mittelt Werte Gegenbeispiele  (mit Computer) kopiert Werte irgendwo anders hin ( Kategorie CMA)  tippt Messwerte in Taschenrechner ein ( ME oder SL) Kriterien für Zweifelsfälle Entscheidend ist, dass Daten oder Symbole in ihrer Darstellungsform (Darstellung als Graph statt als Tabelle, Umformen einer Formel,...) o- der in ihrem Betrag (etwa durch umrechnen in eine andere Einheit) ma- nipuliert werden. Kategorie MB (Modellbildung) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn etabliert oder verändert die physikalischen Beziehungen im STELLA-Modell. Bei anderen Aktivitäten in STELLA gilt eine der Katego- rien MA, ME oder CMA. Ankerbeispiele  (in STELLA) legt eine Beziehung zwischen physikalischen Größen fest bzw. gibt eine Formel ein  (in STELLA) kreiert ein neues Symbol und definiert es Gegenbeispiele  (in STELLA) verschiebt Symbole auf der Programmoberfläche ( CMA)  (in STELLA) ändert Parameterwerte ( MA)  (in STELLA) legt Grenzen der Simulation fest ( MA)  (in STELLA) führt Simulation durch (Befehl model run) ( ME) KATEGORIESYSTEM ZUR ERFASSUNG DER TÄTIGKEITEN 197 Kategorie CMA (Computermanipulation) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn führt computerbedingte bzw. softwarebezogene Aktivitäten aus. Trifft auch auf durch Softwareunkenntnis verursachte Verzöge- rungen zu. Ankerbeispiele  speichert Datei ab  sucht Formeleditor  ändert biflow- oder der non-negative-Einstellung in STELLA  klickt Fenster auf und zu, um etwas zu suchen  wiederholt eine Operation, weil der falsche Knopf angeklickt wurde  durchsucht Menüleiste nach einer bestimmten Operation  (in STELLA) ordnet die Objekte auf der Oberfläche anders an  kopiert Messwerte von einer Tabelle in eine andere Gegenbeispiele  manipuliert Messwerte ( Kategorie DM)  (in CASSY, STELLA) stellt Messbereich bzw. Simulationsbereich ein ( MA)  ändert das numerische Verfahren oder die Dauer der Simulation ( MA)  (in STELLA) ändert Parameterwerte ( MA) Kriterien für Zweifelsfälle Könnte die Aktivität auch im traditionellen Praktikum vorkommen? Wenn ja  andere Kategorie. Treten in einem Zeitschritt von 30 Se- kunden noch weitere Tätigkeiten auf, so sind diese (außer im Fall von X) der Tätigkeit CMA vorzuziehen. ANHANG 3 (ZUR VIDEOANALYSE)198 KATEGORIESYSTEM ZUR ERFASSUNG DER SPRECHHANDLUNGEN Bei der Beschreibung der einzelnen Kategorien werden keine Beispiele aufgeführt. Eine ausführliche Liste mit Fallbeispielen aus den Videodaten, die auch für das Beobachtertraining verwendet wurde, befindet sich im Anschluss an die Kategoriebeschreibungen (Seite 201). Kategorie O (Objekt, Ereignis, Handlungsprogramm) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn führt eine experimentierbezogene Sprechhandlung aus, d.h. sie bezieht sich auf ein Objekt oder ein Ereignis des Versuchs, oder äußert ein entsprechendes Handlungsprogramm. Die Vpn liest Werte auf An- zeigen auf Messgeräten ab. Bei der STELLA-Benutzung trifft die Katego- rie nur zu, wenn sich die Sprechhandlung auf das reale Experiment be- zieht. Bei der Versuchsauswertung trifft die Kategorie nur zu, wenn sich die Sprechhandlung in Vergangenheitsform auf das dienstags durchgeführte Experiment bezieht. Kategorie D (Daten, Formel, Handlungsprogramm) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn führt eine Sprechhandlungen aus, die sich auf bereits aufge- nommene Daten oder niedergeschrieben Formeln bezieht oder ein ent- sprechendes Handlungsprogramm darstellt. Das Ablesen von Werten auf Anzeigen auf Messgeräten (auch Taschenrechner) fällt jedoch in die Kategorie O. Die Kategorie D trifft in der Regel bei Auswertearbeiten, sowie bei Sprechhandlungen während der Benutzung von STELLA. Kriterien für Zweifelsfälle Könnte die Sprechhandlung auch geschehen, wenn man einfach die Messdaten oder einen Text (Beschreibung/Anleitung) vorgäbe und die Studierenden damit arbeiten ließe? Wenn ja  Kategorie D trifft zu. Kategorie M (Messbezogen) Beschreibung/ Abgrenzung Der durch diese Kategorie abgedeckte Aspekt des Praktikums ist: Was muss ich wie aufbauen, einstellen, organisieren, berechnen, bewerten, um zu einem guten Ergebnis zu kommen? Die Vpn sagt etwas über die Beziehung zwischen Bauteilen oder verwendet "technische" Konzepte. Die Kategorie trifft zu, wenn sich die Sprechhandlungen mit Genauig- keit, Fehlern/Fehlerrechnung, physikalischen Einheiten, Messwerten, Ergebnissen, Graphen, Kurven, bestimmten mathematischen Konzep- ten, etc. befassen. Die Anwendung der Kategorie ist an Indikatoren (bestimmte Begriffe und Situationen) gebunden, deren Auftreten (oder das Auftreten ähnli- cher Begriffe) notwendige Bedingung für ein Ankreuzen ist. Die Indika- toren sind unten aufgeführt. Abweichungen müssen abgesprochen werden. Gegenindikatoren sind Begriffe, bei deren Auftreten nicht die Kategorie M, sondern eine andere Kategorie zutrifft. Indikatoren Die Kategorie trifft zu...  immer, wenn es um die Zahl der Messungen (der aufzunehmenden Werte), um Abstände von Messungen, um Messbereiche, etc. geht.  immer beim Nennen von und beim Bezug auf physikalische Einhei- ten.  bei mathematischen Konzepten, die zur Messung gehören (z.B. del- ta T, halblogarithmisch, lineare Regression, mitteln, Koordinaten, KATEGORIESYSTEM ZUR ERFASSUNG DER SPRECHHANDLUNGEN 199 Gerade, etc; bei Sinus, Kosinus und exponentiell muss je nach Kon- text entschieden werden, ob M oder P zutrifft)  beim Nennen von Symbolen und Formeln (hier ist auch die Katego- rie P möglich; im Zweifelsfall wird ausgehandelt)  beim Begriff "Zeit", wenn er im Zusammenhang mit der Messung benutzt wird (im Gegensatz zu Zeit als physikalischer Größe)  bei z.B. den Begriffen: messen, bestimmen, Messung, Messreihe, zählen, Wert, Ergebnis, einstellen (auch: hochfahren, runterdrehen, erhöhen, etc.), brauchen, vergleichen, (aus)reichen, genügen, kalib- rieren, fit linear (abgelesen in ORIGIN), Regression, streuen, berech- nen, genau, Fehlerrechnung, Zeitabstand, Amplitudenschritte, ge- nau, empfindlich, genug, halblogarithmisch, kleinschrittig, numerisch, ungenau, negativ, positiv, parallel/in Reihe geschaltet, Genauigkeit, X/Y-Eingang, Dreieckspannung, Massenverbindung, Plusbereich, Ursprung, Spannungsquelle, Nullpunkt, Zeitschritt, Wechselspannung, Parallaxe, Parallelschaltung, Minuskabel, Trig- ger, Schutzwiderstand, Messbereich, Achse, Referenzlinie, Wech- selspannung, Streuung (von Messwerten), Gate, Start-/Stoppuls, Impuls (elektronischer), Empfindlichkeit, Sensitivität, Mittelwert, Hertz, Frequenzbereich, Zeitdifferenz, Anfangswert, Zehnerpotenz, Promille, Erreger, Ergebnis, lineare Regression, Abweichung, An- fangsauslenkung, Schritte, Polarkoordinaten, Winkel, Zentimeter, Grad, Amplitudenschritte, Anfangsauslenkung, Anfangswert, emp- findlich, genügen, Gerade, Spannungsgenerator, Trigger, Wert, Winkel Gegen- indikatoren Die Kategorie trifft nicht zu...  wenn z.B. messen oder Wert nur als kurze Aufforderung benutzt werden (z.B. „Gib mir den Wert“ oder „Messe mal!“)  bei auch alltäglich benutzten Begriffen oder Objekte/Gegenstände bezeichnenden Begriffen, zum Beispiel: Schalter, Kondensator, Ge- rät, auslenken, Kabel, Motor, wiegen, Abstand, Generator, Polarko- ordinatenpapier, ablesen, untersuchen, Achsenbeschriftung, Wir- belstrombremse, Schaltung, Magnet, Ablesung, Anregung, Eingang, Ausgang, Schwinger, Radius, Diagramm, etc.  bei Begriffen wie Widerstand oder Zeit, wenn sie als physikalisches Konzept oder Größe gebraucht werden  wenn nur Beschriftungen von Geräten wiedergegeben werden (z.B. Zero, Record, Period A, etc.)  bei einfachen Rechenoperationen (addieren, multiplizieren, teilen, Vielfaches,...) Kriterien für Zweifelsfälle M ist bisweilen schwierig gegen O /D abzugrenzen. Ist kein Indikator gegeben, wird nicht angekreuzt. Im Zweifelsfall aushandeln. Kategorie P (Physikbezogen) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn nennt ein physikalisches Konzept bzw. eine physikalische Grö- ße. Trifft auch zu, wenn die Vpn sich verbal auf ein Objekt oder ein Zeichen auf dem Computerbildschirm, das ein physikalisches Konzept oder eine physikalische Größe darstellt, bezieht. Die Anwendung der Kategorie P ist wie die der Kategorie M an Indika- toren gebunden (s.o.). Indikatoren Die Kategorie trifft zu...  bei mathematischen Konzepten, die physikalische Bedeutung haben ANHANG 3 (ZUR VIDEOANALYSE)200 (z.B. sinusmäßig, Differentialgleichung, Ableitung, etc.; bei Sinus oder Kosinus oder exponentiell muss je nach Kontext entschieden werden, ob M oder P zutrifft)  bei Symbolen und Formeln, sofern sie eindeutig als physikalisches Konzept und nicht als formaler Term benutzt werden  bei Begriffen wie Zeit oder Widerstand, wenn sie als physikalische Größe benutzt werden  bei z.B. Begriffen wie: Auslenkung, Hochpass, Sprungfrequenz, Phase, Kondensatorspannung, Phasensprung, Frequenz, Lagerrei- bung, Phi punkt, Einschwingvorgang, Zustandsgröße, Generator- spannung, gleichphasig, gegenphasig, harmonisch, anharmonisch, sinusmäßig, stationär, periodisch, aufladen, entladen, dämpfen, zeitlicher Verlauf Kriterien für Zweifelsfälle Ist weder P noch PP angekreuzt, bedeutet das: Es kommt kein physika- lisches Konzept in den Sprechhandlungen vor! Kategorie PP (Theoriebezogen) Beschreibung/ Abgrenzung Die Vpn setzt mindestens zwei physikalische Konzepte in Beziehung, d. h. bezieht sich auf einen physikalischen Zusammenhang. Für physikali- sche Konzepte gelten die für die Kategorie P getroffenen Festlegungen. Indikatoren Die Kategorie trifft zu, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind:  es treten mindestens zwei Indikatoren der Kategorie P auf. 1. es wird ein Zusammenhang oder eine Abhängigkeit hergestellt durch Ausdrücke wie z.B.: wenn - dann, wird berechnet aus, we- gen, ist das gleiche wie, abhängig, Vielfaches von, umrechnen, etc. Kriterien für Zweifelsfälle Ist weder P noch PP angekreuzt, bedeutet das: Es kommt kein physika- lisches Konzept in den Sprechhandlungen vor! Kategorie X (Versuchsfremd) Beschreibung/ Abgrenzung Die Sprechhandlungen beziehen sich nicht auf den Versuch. Kriterien für Zweifelsfälle Ist für die Tätigkeit die Kategorie X angekreuzt? Dann muss auch hier X angekreuzt werden. Wird für die Sprechhandlung die Kategorie X ange- kreuzt, so darf keine andere Verbal-Kategorie angekreuzt werden! FALLBEISPIELE FÜR DIE KODIERUNG VON SPRECHHANDLUNGEN 201 FALLBEISPIELE FÜR DIE KODIERUNG VON SPRECHHANDLUNGEN SPRECHHANDLUNG KODIERUNG Misst du die Frequenz schon? M P Jetzt müssten wir messen können, die Einschwingvorgänge sind vorüber. M P Der Anschluss hier gibt in kürzerer Zeit Signale ab. M Das hier ist der Ausgang der Lichtschranke. M Die Lagerkräfte dämpfen ja auch noch zusätzlich. PP Das ist jetzt ein Zehntel Pi. O Geh unter vier auf jeden Fall. (meint eine Bereichseinstellung) M Hast du schon eingestellt? O Der Wert ist nicht aussagekräftig, aber gut nehmen wir ihn. M Das ist hier unsinnig. (meint den Wert auf Anzeige) M Sollen wir die Fehlerrechnung gleich machen? M Frequenz als X-Achse? M P Wir müssen die linke und rechte Auslenkung nehmen. M P Die Parameter misst man ja ohne Dämpfung. M PP Aus der harmonischen Schwingung bestimmt man das Drehmoment. M PP Welche Frequenzen haben wir bis jetzt? P Klappt's mit der Phase? P R, Teta und D haben wir schon nur M0 M R ist B minus 2 Teta. PP Hast du da ne Rücktaste am Taschenrechner? X Das ist einfach zu bestimmen. M Du dämpfst das quasi. P Stimmt denn die Frequenz jetzt? P Wie ist denn die Skala geeicht? M Die Lichtschranke misst den Zeitabstand zwischen den Nulldurchgängen. M P Was ist 0,1 Hz in Periodendauer? M P Wir messen die Parameter für die Kontrolle von Amplitude gegen Frequenz. M PP Die Amplitude geht gegen einen konstanten Wert. M P 10 Sekunden das sind dann 0,1 Hz. M Jetzt die Amplitude des Drehmoments. PP Besser wär es, ein besseres Übersetzungsverhältnis zu haben (meint Motor). M Da hat es die Spitzenspannung erreicht. M Da müssten wir ne Gerade kriegen. M Das bewegt sich doch periodisch. P Das geht gar nicht so genau. (meint das Ablesen vom Pendel) M Das ist aber eine sehr geschätzte Kiste. (meint das Ablesen vom Pendel) M Das ist ein Einstellungsproblem. (meint den Versuchsaufbau) M Das ist für hohe und das für niedrige Frequenzen. P Das kommt wohl durch die Lagerreibung. P Das Problem ist die Ablesung. O Das war eine Sekunde. M Dem Teil will man eins reinhauen. (meint Periodendauermesser) O Den Motor brauchen wir noch nicht. M ANHANG 3 (ZUR VIDEOANALYSE)202 Den Nullpunkt hat er doch, wenn du das hier einstellst. M Den Sprung ham wir schön hingekriegt! O Der Abstand hier ist jetzt unser T. M P Der Fehler ist aber ziemlich klein. M Die beiden Gewichte sollten wir jetzt dran machen mit der Schraube. O Die Messung jetzt machen wir ja harmonisch. M P Die Messung startet hier. M Die Periodendauer ist nicht amplitudenabhängig. PP Die Phase ist doch die Zeit zwischen den beiden Nulldurchgängen. M PP Die X-Achse ist gut geworden. M Die Zeit ist ja Vielfaches der Periodendauerschwingung. PP Erhöhen wir mal die Amplitude. M P Gib mir die Werte. O Guck mal den Schwinger an. O Guter Wert! M Hm, ist vielleicht das Gerät kaputt? O Da müssen wir dann doch die Amplitude über der Frequenz auftragen und mit der theoretischen Kurve vergleichen, oder? M PP Ich dachte den Wirbelstrom merkt man. P Ich dachte die Wirbelstrombremse merkt man. O Ich fang jetzt mal vorne an zu messen. M Ich freu mich auf den Moment wo die Sache springt. O Ich geb dir schon mal Power. O Ich hab die Bremse jetzt auf 230mA eingestellt. M Ich sag mal die Werte reichen jetzt. M Ich schreib mal auf was der für eine Einstellung hatte (meint Messgerät). M Ich will Millimeter, dann teil ich die Meter durch 1000, ne? M In was ist die Kondensatorspannung? (meint Einheit) M P Ist eigentlich egal ob 50 oder 500 MHz. M Je größer der Ausschlag desto genauer ist es. M Jetzt geben wir mal Vollausschlag und gucken dann. O Jetzt nehmen wir mal 20 Werte statt 10. M Jetzt sollen wir die Amplitude vom Rad messen. M P Jetzt wird Spannung abgegriffen. P kgm/s2 ist Newton M Klick dahin, dann kannst du zoomen. O Können wir das Kabel hier nehmen? O Lass uns mal kleinere Schritte machen. M Lies ab. O Mach mal ein Diagramm. M Machen wir eine Messung zu hohen Frequenzen und dann wieder runter. M P Man müsste unheimlich lang durchprobieren. (meint die Messung) M Man trägt hier diese Rechnung ins Diagramm ein. O Messen wir erst mal die Gewichte aus. M Nein, das geht nicht mit zoomen. O Ok, jetzt müssen wir die Amplitude messen. M P Reichen drei Werte? M Sag mal die Phase ist doch die Zeit zwischen den beiden Pulsen, oder? M PP FALLBEISPIELE FÜR DIE KODIERUNG VON SPRECHHANDLUNGEN 203 Schreib die letzte Stelle doch mit. M Schwarz ist für mich jetzt negativ. M Der ist jetzt voll aufgedreht. (meint den XY-Schreiber) O Über 90 Grad kriegst du negative Werte, das ist logisch. M Warum bringt er mir hier MHz? M Warum spinnt das Gerät, wenn man die Spannungsquelle einschaltet? M Warum tut er das? (meint den XY-Schreiber) O Erst mal ein paar nehmen und dann gucken wo's am interessantesten ist? (meint Messwerte) M Gib mal Wechselspannung rein. M Wenn ich hier auf zero stelle geht das runter und zeichnet uns hier die Achse. M Wenn wir jetzt die Frequenz erhöhen bricht die Amplitude zusammen. M PP Wie messen wir das? M Wie viel Linien passen in 0,005 cm? M Wir brauchen vielleicht nen anderen Zeitschritt. M Wir haben ein paar mehr Messwerte als bei der anderen Kurve. M Wir kriegen dann das Zeitverhalten zwischen dem Punkt und dem nächsten. P Wir messen jetzt die Schwingungsdauer, um das Trägheitsmoment zu bestimmen. M PP Wir müssen auf die Parallaxe achten. M Wir müssen aufpassen dass wir kein Fehler machen und drüber wegschießen. M Die Kurve fällt doch exponentiell ab. M Wie war das doch bei der Phasenmessung? M P Der Erreger läuft dem Schwinger voraus. PP Das ist ja ein unsinniges Ergebnis. M Huups, das springt ja! O Wenn wir die Frequenz hier nehmen ham wir gleich den Sprung. P Hier schau, das Teta leitest du ab und ziehst das Phi rüber und dann hast du die Amplitude. M P An der Einstellung hab ich nix geändert. M Wir versuchen den Versuch mit einem Modell zu simulieren, indem wir die Pa- rameter messen und eingeben. M P Das Motormoment bestimmen wir ja dann direkt. M P Der Motor regt ja ständig an. O Sieht nach ner harmonischen Schwingung aus. P Messe die Spannung über der Zeit. M PP Holen wir noch einen dazu. (meint Messwert) M Soll ich das hier jetzt mal mitteln? M Eine Sekunde wär ok. M Dieses hier kriegt negative Spannung. (meint Kabel) M P Die Zeit ist ja Vielfaches der Periodendauerschwingung. PP Jetzt leite ich das ab und kriege Kosinus Phi. M Hast du einen Bleistift? O Mach mal ein Diagramm. O Soll‘n wir ne Zigarettenpause machen? X Anhang 4 (zur Begriffsnetzerhebung)  Anhand der 20 vorgegebenen Begriffe gelegtes Concept Map des Studenten Leo vor Versuch II  Zugehöriges Interviewtranskript  Anhand der 20 vorgegebenen Begriffe gelegtes Concept Map des Studenten Leo nach Versuch II  Zugehöriges Interviewtranskript ANHANG 4 (ZUR BEGRIFFSNETZERHEBUNG)206 GELEGTES CONCEPT MAP DES STUDENTEN LEO VOR VERSUCH II INTERVIEW MIT LEO ZUM VORMAP ZU VERSUCH II 207 INTERVIEW MIT LEO ZUM VORMAP ZU VERSUCH II I LEO Dann erkläre mal, wie du angefangen hast, was du gelegt hast. Ja also, wie ich angefangen habe: Erst mal die ganzen Sachen sortiert so, dass ich das so einigermaßen in den Griff bekomme. Also einerseits sind da ja so Sachen wie Feder- konstante, Dämpfungskonstante, Drehmoment. Die sind jetzt zwar alle auseinander und gut verteilt, aber das sind ja eigentlich z.B. Gerätekonstanten., z.B. so was. Und das habe ich versucht kenntlich zu machen, indem ich das r dazugeschrieben habe, wozu das gehört. Drehmoment ist etwas schwierig dabei, Drehmoment passt eigentlich nicht so richtig, aber Drehmoment ist eigentlich das, was der Motor ausübt, der übt ja dieses Drehmoment auf die Scheibe aus. Insofern ist es ja schon eine Konstante, zumal das definiert ja wie der Motor das anregt, das System. Na ja und dann habe ich halt sortiert, was sind da für Geräte, die da wirklich verwendet werden, also so feste Ge- genstände sozusagen. Die habe ich mir halt unterordnungsmäßig sortiert. Einmal das, was halt Hauptapparatur ist, was das Wichtigste ist an diesem Versuch eigentlich, und dann wieder so Geräte, was dann nur Messgeräte sind, also so Messapparaturen oder was halt so dazugehört. Also das hatte ich ja schon beim letzten Versuch schon so als Beiwerk so dazu gesagt. Z.B. hier Motor oder Feldspule, das sind so Sachen, die gehö- ren sicherlich nicht so zentral zum Versuch. Ohne die funktioniert es zwar nicht, aber ich könnte genauso gut auch selbst im richtigen Takt das Ding da anregen oder ich könnte das auch immer zwischen den Fingern laufen lassen, damit das immer schön gebremst wird. Und genau so wie bei Winkelskala, da könnte ich auch genau hingu- cken, um das rauszukriegen. Oder Lichtschranke, das kann man auch genauso gut mit einer Uhr und von Hand machen. Sag mal was zu deinen Verbindungen. Was mir dann fehlt, frage ich nach. Da fange ich am besten mal in der Mitte an. Das sind halt einfach nur die Geräte : Spi- ralfeder an Schwungscheibe an Masse. Da gibt’s also mehr nicht zu sagen. Das defi- niert nur, wie die Apparatur konstruiert ist. Zu den jeweiligen Geräten oder Sachen die ich habe dann halt die Konstanten, die dazugehören. Das sind immer nur „bestimmt“ (das steht unter dem Pfeil) und dann Schwungscheibe und Masse, da habe ich immer nur Punkte gemacht. Was steht da (Pfeil von T zu Masse)? Einfach wo der Pfeil hinzeigt da..?..ich hoffe, das ist richtig Ach so, weil du das auf beides beziehst. Weil sich das auf beides bezieht. Also bestimmt Schwungscheibe und Masse, ja das ist ja diese Konstruktion. Dann Federkonstante bestimmt halt Spiralfeder. Kannst du das jeweils noch genauer erklären? Was heißt jetzt genauer? Ach so, nee, nee. Mach weiter, ich habe was verwechselt. Ist das nicht so ganz klar gewesen? Nee. Dämpfungskonstante, das ist ja das, was die Feldspule, also bestimmt ja den Strom durch die Feldspule eigentlich...oder..Naja, die Konstante ist zwar eine Konstante der Feldspule, aber im Prinzip bestimmt ja die Feldspule die Dämpfungskonstante und die Dämpfungskonstante bestimmt den Strom durch die Feldspule. Das ist einfach eine Dämpfung, die ist proportional zu ´(t), also das ist halt eine rücktreibende Kraft pro- portional zu ´(t). Das wird ja folgendermaßen gemacht: Da ist ja dieser Ring, ich schätze der ist aus Metall, und dadurch, dass man jetzt einen Strom durch die Feld- spule schickt, induziert man ja was in diesem Metallring und dann entsteht halt ein Ge- genstrom, und die stoßen sich..- also ein Gegenmagnetfeld auch und das stößt sich ANHANG 4 (ZUR BEGRIFFSNETZERHEBUNG)208 halt ab. Und je nachdem wie ich diesen Strom durch die Feldspule einregel, also wenn der stärker wird, werden natürlich auch die Bremseffekte stärker. Ich glaube da ent- steht so Wirbelstrom. Bei Eisenbahnen gibt es ja auch so was glaube ich. Und Dreh- moment ist ja das, was der Motor ausübt, sozusagen die Kraft ist eine Messgröße des Motors. Und der Motor übt ja das Drehmoment aus auf dieses System und bestimmt die Motorkraft, die ist ja irgendwie sint. Das Drehmoment ist also eine sinusförmige Anregung. Was meinst du hiermit? (zwischen Motor und Feldspule) Ja, Motor und Feldspule wirken ja entgegen, d.h. der Motor regt das System immer an und die Feldspule bremst es ab. Das ist ja immer, hm, Wechselspiel kann man nicht sa- gen, aber... Was genau hier wird abgebremst, du meinst jetzt wieder den ganzen Kasten? (Spiralfeder, Schwungscheibe, Masse) Ja, das System eigentlich. Wechselspiel, worauf ich hinauswollte, kann man eigentlich nicht sagen. Also es ist nicht so was wie ich es beim Kondensator hatte, also La- dung/Entladung. So gehören die sicherlich nicht zusammen, aber es ist halt so: Der Mo- tor ist das Element, das immer Energie zuführt und Feldspule ist ja das Teil, wodurch immer Energie abgezogen wird, halt durch das abbremsen. Ja, dann kommt hier wieder etwas raus aus dem System, das sind einmal die Ausschläge, ablesbar auf der Winkel- skala und dann die Frequenzen, ablesbar gemacht mit der Lichtschranke oder eigentlich mit einem Zählgerät oder einer Uhr. Und dann hier diese weiteren Pfeile, also Licht- schranke misst ja Frequenz oder Periodendauer, das ist ja im Prinzip dasselbe. Und die Winkelskala, damit wird ja die Amplitude bzw. die Auslenkung gemessen. Warum liegen die so zusammen? Ja, ob man Auslenkung oder Amplitude sagt, ich finde da ist das eine das Fachwort vom anderen. Na ja, und im zweiten Kasten ist halt das experimentelle Messergebnis, d.h. ich habe da noch Frequenz hinzugefügt, denn man misst ja Frequenz gegen Ampli- tude. Und da habe ich ganz grob skizziert, wie das aussehen wird, wahrscheinlich. Ja, und dann komme ich jetzt zu den beiden Begriffen, die mir etwas Probleme bereitet ha- ben, also Phase und Winkelgeschwindigkeit. Also Phase ergibt sich ja aus Frequenz, al- so eigentlich aus der Frequenz der Anregung und der Frequenz des Systems bzw. Be- wegung des Systems und da der Unterschied, das ist ja die Phase. Deswegen habe ich hier auch noch mal die Motormessung, obwohl das eigentlich ein bisschen schlecht ist, sehe ich gerade, weil ja Phase nicht soviel mit Frequenz zu tun hat. Also eigentlich ist das halt die Verschiebung zwischen Motor, also der Kraft, die der Motor halt ausübt, und das, was das System dann zeigt, das ist dann die Phasenverschiebung, die dabei rumkommt. Und die Winkelgeschwindigkeit... Bleib noch mal hier: Wie hast du das gemeint mit der Phasenbeziehung zur Frequenz oder Pe- riodendauer? Die besteht eigentlich überhaupt nicht, das habe ich ja gerade festgestellt. Ist etwas ungünstig, dass es dort ist (nimmt Phase weg und radiert Verbindung zu Frequenz). Wo hättest du die dann hingezeichnet? Ja, es war ja die Überlegung halt, dass Phasenverschiebung, also das ist ja die Ver- schiebung sozusagen der Amplitude, die einmal der Motor ausübt und die dann das System zeigt. Eigentlich müsste die (Karte) dann, also wo sie jetzt genau liegt, ist ei- gentlich egal, aber da müssen halt Pfeile gemacht werden. Einmal von hier (Motor) nach hier (Phase) und einmal von hier (Phase) nach hier (Winkelskala), weil die Aus- schläge, das ergibt halt die Phase. Jetzt zur Winkelgeschwindigkeit. Ja, jetzt zur Winkelgeschwindigkeit, die ergibt sich ja, wenn man die Amplitude kennt und die Frequenz, weil je nachdem wie schnell das geht, ergibt sich ja die Winkelge- schwindigkeit und wie gesagt. Wobei, die Amplitude ist ja irgendwas vom Winkel, und die Winkelgeschwindigkeit ist so was wie ´(t), also einfach nur die Ableitung der Amplitude nach der Zeit. INTERVIEW MIT LEO ZUM VORMAP ZU VERSUCH II 209 Und was hat die Frequenz damit zu tun? Die Periodendauer, ja je schneller die Frequenz, desto schneller ist auch die Winkelge- schwindigkeit. Das ist eigentlich die Änderung der Amplitude innerhalb der Zeit, aber dazu muss ich ja Amplitude und Zeit kennen, um beides dann in Abhängigkeit setzen zu können. Aber da hatte ich ja das Problem: Also Winkelgeschwindigkeit, ich denke das gehört eigentlich hierzu (harmonische Schwingung/Trägheitsmoment) zur Bestim- mung des Trägheitsmomentes, weil da ist es ja so, da regt man das System ja harmo- nisch ohne Dämpfung an, und nur so kann man ja das Trägheitsmoment ermitteln, messtechnisch. Was bedeutet der Rundpfeil? (Von der Verbindung von Amplitude und Winkelgeschwindigkeit zur Verbindung von Winkelgeschwindigkeit und Frequenz) Der bedeutet, dass die beiden zusammengehören, weil mit einem alleine kann man ja nichts anfangen. Wenn ich jetzt nur die Amplitude hätte und keine Zeitachseneichung, könnte ich auch nie eine Winkelgeschwindigkeit herausbekommen. Also die beiden gehören nur in Hinblick auf die Winkelgeschwindigkeit zusammen? Ja. Und was bedeutet „experimentelles Ergebnis“? Ja, das ist ja das, was eigentlich gefordert ist, dass man hinterher eine Kurve hat. Amplitude gegen Frequenz aufgetragen oder gegen Winkelgeschwindigkeit aufgetra- gen. Im Buch, da sind ja diese Skizzen, wie man halt dieses theoretische Ergebnis vor- aussagen kann, aber physikalisch passiert ja etwas anderes. Ich erwarte also bei dem einen, dass ,wenn man immer weiter hochfährt, die Winkelgeschwindigkeit immer mit- geht und dann ganz plötzlich - also die Amplitude, Unsinn, dass also die Amplitude erst mit hochgeht mit wachsender Winkelgeschwindigkeit. Also ich glaube, dass das halt passiert bei genau Winkelgeschwindigkeit Null. Das kann man sich ja noch so überle- gen, indem man sagt, die Dämpfung ist dann so groß, da regt der Motor dann zwar etwas an aber durch die Dämpfung wird das sofort kompensiert und im Prinzip tut sich gar nichts. Je höher die Frequenz ist, desto mehr geht das System auch mit, aber ir- gendwann kommt es dann nicht mehr mit und dann bricht die Amplitude zusammen und danach geht es dann wieder aufwärts. Und wenn man das ganze rückwärts ab- fährt, also die Kurve, dann liegt der Sprung einfach nur an einer anderen Stelle, weil diese Stelle, wo das System nicht mehr mitkommt, die ist dann halt anders, ob ich jetzt von oben oder von unten komme. Warum liegen die beiden hier so eng zusammen? (Harm. Schwingung und Trägheitsmoment) Das Trägheitsmoment wird ja durch eine harmonische Schwingung ermittelt. Was ist die stationäre Amplitude bei dir? Stationäre Amplitude, da steht Federkonstante wird bestimmt mit.. das ist ja das, wo- mit man erst mal rauskriegt, wie die Federkonstante ist, da soll man ja das Rad mit Massen belasten und soll das dann stationär auslenken und soll einfach diese stationä- re Amplitude dann messen. Wenn man dann die Abhängigkeit von den Massen unter- sucht, kann man die Federkonstante rauskriegen. Und da..?..Messung mit Lichtschranke, oder was misst du? Ja, man misst ja auch die Frequenz des Motors also wie der anregt. Weil das muss ja nicht notwendigerweise so sein bei dem System, dass das System mit der gleichen Frequenz antwortet, mit der man auch anregt. Was bedeutet eigentlich der Kasten hier? Als ich das Diagram gemalt habe, da ist mir aufgefallen, dass dieses hier rechts stand. Und letztes Mal hatte ich so eine Anordnung von links nach rechts zum Ergebnis und den Eindruck wollte ich nicht entstehen lassen, deshalb habe ich das noch mal extra eingekästelt. ANHANG 4 (ZUR BEGRIFFSNETZERHEBUNG)210 GELEGTES CONCEPT MAP DES STUDENTEN LEO NACH VERSUCH II INTERVIEW MIT LEO ZUM NACHMAP ZU VERSUCH II 211 INTERVIEW MIT LEO ZUM NACHMAP ZU VERSUCH II I LEO Erklär‘ mal. Vom Ordnungsprinzip her versuche ich eigentlich... also eigentlich habe ich die gleichen Begriffe einander zugeordnet, also was so zusammengehört und welche Konstante o- der welcher Begriff dieses andere Versuchsteil genauer bestimmt. Also na ja, Drehmo- ment ist natürlich keine Konstante. In dem Fall ist dann also Masse, Schwungscheibe, o.k. das gehört zusammen, das gehört halt zum Schwinger. Und dann Trägheitsmo- ment, das bestimmt man ja genauer durch die Auslenkung, dieses Trägheitsmoment, bei einer harmonischen Schwingung. Wie? Also ich glaube das war ja der Versuchsteil da wurde ja diese Scheibe angeregt durch den Motor und dann hat man die Amplitude gemessen, also irgendwie Auslenkung und dann konnte man dann irgendwie, wenn man die Federkonstante vorher schon ausge- rechnet hat, das Drehmoment des Motors bestimmen. Ich hoffe ich vertue mich da nicht, ich meine aber das ist richtig. Redest du vom Drehmoment oder vom Trägheitsmoment Vom Drehmoment...Ach so, Unsinn!... ne, eigentlich vom Drehmoment. Wir waren doch beim Trägheitsmoment. Das Trägheitsmoment haben wir glaube ich irgendwie über eine harmonische Schwin- gung und über die Periodendauer gemessen. Wie meinst du das mit der Auslenkung dann? Ich glaube das ist da nicht so ganz richtig. Also das müsste wohl eigentlich mehr zum Drehmoment, wenn ich das so sehe. Gut, dann mach mal weiter. Spiralfeder, Federkonstante, das wurde ja bestimmt durch die stationäre Amplitude, dass wir da so Gewichte drangepackt haben, dass es dann so eine stationäre Auslen- kung gegeben hat, so hat man ja diese Federkonstante bestimmt. Dämpfungskonstan- te, die Dämpfungskonstante bestimmt die Wirkung der Feldspule näher. Das ist ja die Bremswirkung des Systems. Also es ist jetzt zwar eine Feldspule verwendet worden, aber das ist ja nicht spezifisch, also wir hätten ja auch ein Gummi nehmen können, das da irgendwie dran angebracht wäre. Also die Bestimmung der Dämpfungskonstanten ist ja unabhängig davon, ob ich eine Feldspule oder irgend etwas anderes wähle zum bremsen, solange das nur dieselben physikalischen Bremseigenschaften hat. Und das wird halt bestimmt auch durch eine harmonische Schwingung. Und da macht man ja erst so eine Anfangsauslenkung und misst dann immer wieder wenn es so hin und her- pendelt die Amplitude nach den Zyklen und da kriegt man dann so eine Kurve, das hat- ten wir ja auch gestern, so eine Kurve Zeit gegen Amplitude bzw. man nimmt ja immer nur die Maximalamplituden eigentlich, weil dazwischen das wären dann immer so Si- nusfunktionen oder Winkelfunktionen. Und durch eine Ausgleichsrechnung, also da es ja einfach nur eine ln-Funktion oder eine e-Funktion ist,..?...kriegt man dann eine Gera- de und die Steigung dieser Geraden ist dann die Dämpfungskonstante mal noch so ein paar Faktoren, ist ja proportional zur Dämpfungskonstanten. Kannst du hierzu noch etwas genaueres sagen? (Feldspule) ANHANG 4 (ZUR BEGRIFFSNETZERHEBUNG)212 Ja, ich glaube dieser Ring war leitend, dadurch war das ja so wie eine Wirbelstrom- bremse, also da steht ja auch Wirbelstrombremse, und wenn ich das richtig verstanden habe, wird da so ein Strom induziert in dieser Scheibe - ist das eine Kupferscheibe? Auf jeden Fall Kupfer ist ja so selber schon mal nicht magnetisch, aber wenn man dann ei- nen schönen Strom induziert, dann wird das ja sozusagen magnetisch wie so ein Elekt- romagnet, da baut sich dann ja so ein Feld auf, das immer der Wirkung entgegen geht und dann bremst das einfach nur ab. Ich glaube das ist einfach eine Bremsung propor- tional zu ´(t). So muss das sein, damit es halt in diese Schwingungsdifferentialglei- chung reinpasst. Und dann kriegt man ja so eine Differentialgleichung wie irgendetwas *´´(t) + Dämpfung *´(t) und dann mal irgendwas  und  ist gleich Null und das ist dann so eine gedämpfte harmonische Schwingung, die wir untersucht haben, um die Dämpfungskonstante herauszubekommen. Was meinst du jetzt mit diesem großen Kasten noch mal? Das ist die zentrale Versuchsapparatur, darum geht‘s eigentlich, unter der wird gemes- sen, an der werden auch alle Konstanten bestimmt, ja nicht alle Konstanten, aber an der werden alle Messungen vorgenommen. Wenn du jetzt den Kasten ersetzen wolltest durch Verbindungen zwischen den Begriffen, die da drin liegen, welche würdest du dann verbinden? Dann würde ich diese beiden miteinander verbinden (Schwungscheibe und Spiralfeder). Da könnte man noch so was dranschreiben wie „Schwungscheibe bewegt Spiralfeder“ oder umgedreht. Und die Masse, wie gehört die dazu? Also das (der Pfeil von Spiralfeder) geht zur Schwung- scheibe? Ja, das geht dann zu diesem Masse/Schwungscheibe-Kästchen. Masse und Schwung- scheibe gehören ja eigentlich zusammen, die werden ja nur bei der Konstantenbestim- mung mal getrennt. Ja, und dann halt zu diesem Auswertungsteil: Einmal diese Mes- sung der Bewegung, das wird ja immer mit der Winkelskala gemacht, also daran stellt man ja immer die ganzen Amplituden fest, also das kommt da ja auch raus - Amplitude eigentlich, womit man das dann umrechnet. Und mit der Lichtschranke werden ja die Messungen der Bewegungszeiten, also da wird ja einmal die Periodendauer bestimmt also einmal der Anregungsfrequenz und einmal misst man ja indirekt die Phasenver- schiebung. Was heißt indirekt? Ja indirekt heißt, ich meine direkt kann man die Phasenverschiebung ja schlecht mes- sen dabei. Ich meine man bekommt ja so ein t heraus, was halt diese Phasenver- schiebung ausmacht, und wenn man das dann teilt durch die Gesamtperiodendauer, dann bekommt man ja die Phase heraus. Allerdings bezogen auf 1 und wenn man dann mit 2 multipliziert, dann bezogen auf 2. Was sind diese „Bewegungszeiten“ hier? Ja Bewegungszeiten sind halt wie sich das System bewegt. Also einmal ist es halt die- se Periodendauer und einmal ist es die Phase ist damit gemeint. Und dann hat man halt Amplitude, Periodendauer und Phase gemessen und trägt das dann gegeneinander auf. Und dann kommt dann einmal so was raus (macht Zeichnung). Also ich habe jetzt im- mer hinlaufend und rücklaufend und Theorie in eins gemalt. Hinlaufend ..?.. geht er ja genau bis zu dieser Tangente hier und dann geht’s abwärts und springt hier runter und wenn man von oben kommend die Frequenzen abfährt, dann geht er genau bis zu die- ser Tangente und springt dann hier nach oben und geht dann runter. Das passte ei- gentlich auch ganz gut hinterher. Und mit der Phase da ist es so, da geht, wenn man hochgeht, die Phase glaube ich bis /2 springt dann schlagartig hoch. Und wenn sie von oben kommt, dann bleibt sie relativ konstant um  verschoben und springt dann sehr schnell sehr tief runter... Ich weiß nicht - soll das überhaupt so wie hier aussehen? Das ist jedenfalls das, was wir rausgekriegt haben. ..?...Ja, das stimmt schon so. Und Winkelgeschwindigkeit wusste ich nichts mit anzufangen. INTERVIEW MIT LEO ZUM NACHMAP ZU VERSUCH II 213 Warum nicht? Ja, weiß ich nicht. Wusste ich nicht, wo der zu gehört. Also o.k., bei Bremsung hätte man den noch dazu schreiben können. So, dann machen wir den hier noch irgendwo hin (legt Winkelgeschwindigkeit über Verbindungslinie Feldspule-Kasten (s.o.) und schreibt „proportional“ dran). Und anharmonische Schwingung? Ist halt wieder das Thema des Versuchs, als Überschrift. Ist aber losgelöst, du siehst keine Verbindung zu irgendwo hin? Letztes Mal habe ich ja so eine Klammer hier um das gesamte Map gemacht, das hätte ich jetzt wieder machen können. Das ist halt einfach das Thema des Versuchs, die Ü- berschrift. Anhang 5 (zur Begriffsnetzanalyse)  Erläuterungen zur Referenznetzstruktur  Referenznetz zu Versuch II (traditionell)  Vormap des Studenten Leo  Nachmap des Studenten Leo ANHANG 5 (ZUR BEGRIFFSNETZANALYSE)216 ERLÄUTERUNGEN ZUR REFERENZNETZSTRUKTUR Zum Referenznetz:  Erklärung der benutzten Symbole: (Kleine Symbole im Referenznetz, und klein beschriftete Verbindungen, beziehen sich auf das Vorgehen bei der Messung einer physikalischen Größe.)  Die Zuordnung der Verbindungen zu den Kategorien (Farben) ist in Kapitel 10 beschrieben. Da- bei gibt es zwei Ausnahmen:  Die physikalischen Konzepte, die zur Wirkung der Feldspule auf die Schwungscheibe ge- hören (Feldstrom, Magnetfeld, Wirbelströme, etc.; rechts unten im Referenznetz) werden wie Messverfahren behandelt, da sie nicht direkt zur physikalischen Theorie des Experiments gehören.  Der Begriff Phasendifferenz ist mit den Objekten Motor und Schwungscheibe verbunden (rechts oben im Referenznetz). Die Verbindungen werden aber als physikalischer Zusam- menhang behandelt.  Von mathematischen Formeln bzw. Zahlenwerten gehen so viele abhängig-Verbindungen (PP; abstrakte kognitive Leistung; rot) ab wie es Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen gibt.  Beispiele: Von M=-D gehen drei abhängig-Verbindungen ab (Federdrehmoment, Feder- konstante, Auslenkung). Von f=1/T geht eine abhängig-Verbindung ab (Frequenz, Perio- dendauer). Der Komplex „ gilt für Phase bei unendlicher Frequenz“ (halblinks oben im Referenznetz) enthält eine rote (PP) Verbindung. Zu den Begriffsnetzen des Studenten Leo:  Nennt der Student einen Zusammenhang zwischen zwei Begriffen, die mehr als eine Verbindung weit auseinander liegen, so werden die dazwischen liegenden Begriffe übersprungen (siehe Ka- pitel 10). Die entstehende Verbindung wird dann wie in Kapitel 10 beschrieben kategorisiert.  Beispiel: „Auslenkung der Schwungscheibe“ (rechts im Referenznetz): „Auslenkung ist maximale Amplitude“ wird vom Studenten Leo nicht genannt und daher übersprungen. Die Verbindung „Auslenkung der Schwungscheibe“ weist einem Objekt eine Eigenschaft zu und wird mit P kategorisiert (deskriptive kognitive Leistung; gelb).  Nennt der Student eine Formel nur teilweise, so wird sie in seinem Begriffsnetz als Dreieck dar- gestellt. Es werden dann 0,5 Verbindungen weniger gezählt.  Beispiel: M(t)=M0sint (mittig im Referenznetz): Der Student nennt: „Das Motormoment ist sinusförmig“; gezählt wird nur halbe Verbindung zwischen der Formel und Motordreh- moment.  Verbindungen aus dem Vormap sind auch im Nachmap enthalten. physikalisches Konzept/Größe mathematische Formel/Wert Rechen-/Messverfahren Objekt von einer Vpn nicht vollständig wiedergegebene Formel Harmonische Schwingunglineare DGL Perioden- dauer unabhängig abhängig ´´2 + MD + MG + MB = M(t) Anharmonische Schwingung nichtlineare DGL Perioden- dauer messenerrechnen errechnen Motor bei bei ist an ablesen bei abhängig bei abhängig ist an ist an M(t) = M0 sinwt MB = R(I) ´ MG= -m g r sin MotorSchwungscheibe abhängig bewirkt Masse abhängig bewirktwirkt auf nicht proportional Wirbelstrom- bremseFeldspule abhängig bewirkt fließt Motor- frequenz Motor- dreh- moment Massen- drehmoment Auslenkung Wirbelstrom dreh- moment Winkel- geschwin- digkeit Dämpfungs- konstante Feld- strom Induktions- gesetz Lagerung Lagerreibungs- drehmoment messen bei bei quasistat. Amplitude M0= D  A0 Feder-konstante harmonische Schwingung niedrige Frequenz verschwin- dendes Phi'verschwin- dendes Phi'' bei  = R(I) / (2 0) Scheiben- trägheits- moment messen Amplitude bei Steigungerrechnen lineare Regression errechnen errechnen Winkel- geschwin- digkeit w = 2  f abhängig gilt für Teil von gilt für abhängig harmonische Schwingungbei zusätzliche Kraft abhängig bei halblogarithmische Auftragung MD = -D  abhängig Spiralfeder abhängig bei Feder- konstante Spiralfeder-dreh- moment Auslenkung Hooksches Gesetz D i = mi g r sin*i statische Auslenkung messenmessen Schwung- scheibe wirkt auf der rücktrei- bende Kraft bewirkt Massen Gesamt- dreh- moment abhängig abhängig bewirkt abhängig gilt für vernachläs- sigte Lager- reibung bei beschreibt Gesamt- trägheits- moment Satz von Steiner bei Scheiben- trägheits- moment Massen- trägheits- moment abhängig z= m r2 errechnen T02=420/D Feder- konstante messen harmonische Schwingungbei Perioden- dauer einmalige Auslenkung bei messen BWG wirkt auf Magnetfeld bewirkt bewirkt Dämpfung wirkt auf abhängig errechnen Teil von errechnenerrechnen errechnen abhängig gilt fürgilt für errechnen abhängig A(t)=exp(-Rt) messen Pohlsches Rad Schwungscheibe Spiralfeder Teil von Teil von Masse Motor Teil von errechnen Amplitude maximale messen errechnen nicht proportional bei Lichtschranke messen abhängig abhängig wirkt auf Waage ablesen schwingen- des System bewirkt Phasen-differenz abhängig abhängig vergleichen bei antreibende Kraft wirkt auf Winkel- beschleuni- gung Ms = ''abhängig abhängig 180 mA einstellen abhängig abhängig bei abhängig abhängig große Amplituden bei abhängig AmplitudeFrequenzPhase  = 2    Motor- perioden- dauer Zeitraum T Nulldurchgang Licht- schranke Zeitmess- gerät  21/2 =...  ... = arctg... stationäre Amplitude beendeter Einschwing- vorgang Signal Schwung- scheibe Auslenkung links A = ( l +r )/2 Winkelskala Motor- frequenz beliebiger Nulllage bei wirkt aufResonanz-frequenz abhängig harmonische Schwingung bei bei erzwungene Schwingung Einschwing- vorgang bei abhängig Lorentz- kurve gilt für kleine Auslenkung Näherung errechnen errechnen Energie- zufuhr bei Wirbel- strömeabhängig f = 1/T abhängig Frequenz gilt für bei Dämpfung abhängig abhängig derder bei Phase /2 bei der Scheiben- dreh- moment abhängig theoretische Kurve Näherung 5. GradNäherung3. Grad bei Fourier- entwicklung Taylorent- wicklungbei bei 0= mi ri2 gilt für messen ablesen einmalige Auslenkung bei abhängig abhängig abhängigabhängig abhängig messen abhängig abhängig Zeit abhängig abhängig Punkt- masse bei Null A(0) = M0/(D-mgr)unendlicheFrequenz verschw. Frequenz Amplitude Phase  beibeibei gilt für gilt für gilt für gilt für gilt für errechnen Amplituden- vorgabe bei bewirkt abhängig Harmonische Schwingung bei bei Bremsmagnet ist an des bei abhängig abhängig bei mehrere Werte mittlere Frequenzabhängig gilt für abhängig des Sprung instabiler Zustand Frequenz- änderung Amplituden- differenz vertikale Tangente experimen- telle Kurve Sprung- frequenz rücktrei- bende Kraft führt aus der messenmessen Exzenter bei wirkt auf der bei Auslenkung rechts Umrech- nungsfaktor ablesen Energie- entzug bei ist an abhängig Radius errechnen Massen- verteilung Schwungscheibe abhängig Masse messen  = 0 + z gilt für Referenznetz zum Versuch "Anharmonische Schwingungen" Harmonische Schwingung Perioden- dauer Perioden- dauer ist an M(t) = M0 sinwt MB = R(I) ´ MotorSchwungscheibe abhängig bewirkt Masse wirkt auf Wirbelstrom- bremseFeldspule abhängig bewirkt fließt Motor- frequenz Motor- dreh- moment Auslenkung Wirbelstrom dreh- moment Winkel- geschwin- digkeit Dämpfungs- konstante Feld- strom Winkel- geschwin- digkeit w = 2  f abhängig abhängig zusätzliche Kraft MD = -D  Spiralfeder bei Feder- konstante Spiralfeder-dreh- moment Auslenkung Hooksches Gesetz D i = mi g r sin*i statische Auslenkung messenmessen Schwung- scheibe wirkt auf der rücktrei- bende Kraft bewirkt Massen Massen- trägheits- moment T02=420/D harmonische Schwingungbei wirkt auf Magnetfeld bewirkt bewirkt Dämpfung wirkt auf Pohlsches Rad SchwungscheibeTeil von Motor errechnen Lichtschranke messen schwingen- des System Phasen- differenz abhängig abhängig antreibende Kraft abhängig abhängig AmplitudeFrequenz Motorperio - dendauer Licht- schranke Zeitmess- gerät  21/2 =...  ... stationäre Amplitude A = ( l +r )/2 Winkelskala Motor- frequenz Energie- zufuhr bei Wirbel- ströme f = 1/T abhängig Frequenz gilt für derder der messen abhängig abhängig abhängig Zeit abhängig des abhängig des Sprung Frequenz- änderung experimen- telle Kurve Sprung- frequenz führt aus der messen wirkt auf Auslenkung rechts ablesen Energie- entzug bei Schwungscheibe Vormap des Studenten Leo Scheiben- trägheits- moment Amplitude der Harmonische Schwingung Perioden- dauer ´´2 + MD + MG + MB = M(t) nichtlineare DGL Perioden- dauer errechnen ablesen abhängig ist an M(t) = M0 sinwt MB = R(I) ´ MotorSchwungscheibe abhängig bewirkt Masse wirkt auf Wirbelstrom- bremseFeldspule abhängig bewirkt fließt Motor- frequenz Motor- dreh- moment Auslenkung Wirbelstrom dreh- moment Winkel- geschwin- digkeit Dämpfungs- konstante Feld- strom bei quasistat. Amplitude M0= D  A0 Feder-konstante harmonische Schwingung  = R(I) / (2 0) Amplitude bei Steigungerrechnen lineare Regression errechnen Winkel- geschwin- digkeit w = 2  f abhängig abhängig harmonische Schwingung zusätzliche Kraft MD = -D  Spiralfeder abhängig bei Feder- konstante Spiralfeder-dreh- moment Auslenkung Hooksches Gesetz D i = mi g r sin*i statische Auslenkung messenmessen Schwung- scheibe wirkt auf der rücktrei- bende Kraft bewirkt Massen Gesamt- dreh- moment Scheiben- trägheits- moment Massen- trägheits- moment T02=420/D harmonische Schwingungbei Perioden- dauer messen BWG wirkt auf Magnetfeld bewirkt bewirkt Dämpfung wirkt auf abhängig errechnen errechnen errechnen A(t)=exp(-Rt) messen Pohlsches Rad SchwungscheibeTeil von Motor errechnen Amplitude Lichtschranke messen schwingen- des System Phasen- differenz abhängig abhängig antreibende Kraft abhängig abhängig abhängig AmplitudeFrequenzPhase  = 2    Motor- perioden- dauer Licht- schranke Zeitmess- gerät  21/2 =...  ... = arctg... stationäre Amplitude Signal A = ( l +r )/2 Winkelskala Motor- frequenz Energie- zufuhr bei Wirbel- ströme f = 1/T abhängig Frequenz gilt für derder der messen ablesen einmalige Auslenkung bei abhängig abhängig abhängig Zeit abhängig NullunendlicheFrequenz verschw. Frequenz Amplitude Phase  beibeibei gilt für gilt für gilt für gilt für des bei abhängig bei mehrere Werte mittlere Frequenz gilt für abhängig des Sprung Frequenz- änderung Amplituden- differenz vertikale Tangente experimen- telle Kurve Sprung- frequenz führt aus der messenmessen wirkt auf der Auslenkung rechts ablesen Energie- entzug bei Schwungscheibe Nachmap des Studenten Leo Zeitraum T