Naturwissenschaftliche Forschung ist eng verbunden mit der Schaffung und Verwendung von Modellen. Die Aufgabe des Lehrers ist es, diese wissenschaftlichen Modelle den Schülern unter Verwendung geeigneter didaktisierter Modelle zu vermitteln. Diese wiederum sind vor die Aufgabe gestellt ihre eigenen Konzepte von Phänomenen durch die ihnen vermittelten wissenschaftlichen Konzepte zu ersetzen. Das führt in der Regel zu Hybridmodellen, die Teile beider Konzepte enthalten. Diese Arbeit setzt sich mit der Frage, wie der Prozess der physikalischen Modellbildung beim Schüler stattfindet, auseinander. Dazu wird in einem ersten Schritt eine Klärung des Modellbegriffs vorgenommen. Ausgehend vom Allgemeinen Modellbegriff nach Stachowiak (1973) werden ver-schiedene Forschungsansätze mit ihren jeweiligen Modellen diskutiert. Ziel ist die Entwicklung eines didaktischen Modells, welches den Verstehensprozess der physikalischen Modellbildung eines Schülers im Physikunterricht beschreibt. Dabei spielt die Beachtung der Schülervorstellung von physikalischen Phänomenen eine ebenso bedeutende Rolle wie das wissenschaftliche Modell des Phänomens. Didaktisierte Modelle dienen im Unterricht dazu, den Schülern einen vereinfachten Zugang zu physikalischen Sachverhalten zu ermöglichen. Die Problematik eines wissenschaftlichen Modells besteht nicht nur in dessen Schwierigkeit und Komplexität, sondern auch in der Verschränkung verschiedener, für den Schüler gedanklich oft nach Schulfächern sortierten, Wissenschaftsbereiche. In dieser Arbeit wird ein didaktisches Modell vorgestellt, welches vorschlägt, einerseits das wissenschaftliche Modell in Teilmodelle zu zerlegen und andererseits ausgehend von diesen Teilmodellen didaktisierte Modelle für den Einsatz im Lehr-/Lernprozess zu bilden. Die Teilmodelle stellen die Perspektiven der verschiedenen, an der Problemlösung beteiligten, Wissenschaftsgebiete dar. Diese Vorgehensweise findet sich auch im Namen dieses didaktischen Modells wieder: „Modell der Multiperspektivischen Modellierung“ (Böhm, Pospiech, Körndle, & Narciss, 2010). Dabei ist zu beachten, dass keine der Modellperspektiven für sich das Spiegelbild hinreichend erklären kann, sondern nur eine Vereinigung aller Modellperspektiven zu einem Gesamtmodell. Exemplarisch wird dieses Verfahren am Spiegelbild vorgestellt. Die Verwendung des Spiegelbildes hat verschiedene Gründe: (1) Es handelt sich hier um ein sehr gut untersuchtes physikalisches Phänomen, bei welchem trotz stetiger Verbesserung der Unterrichtskonzepte offenbar kein tiefer gehendes Verständnis bei den Schülern erzeugt werden konnte. (2) Historisch betrachtet hat die Entwicklung der heute gängigen Modellvorstellung eine sehr lange Zeit in Anspruch genommen. (3) Das wissenschaftliche Modell des Siegelbildes kann in verschiedene Modellperspektiven zerlegt werden. (4) Das Spiegelbild ist ein alltägliches Phänomen, mit dem jeder vertraut ist. (5) Es wird im Mathematikunterricht zur Motivation und Erklärung der Achsenspiegelung verwendet. (6) Umgekehrt wird das Spiegelbild im Physikunterricht mathematisch mit Hilfe der Achsenspiegelung modelliert. (7) Der Mensch spielt bei der Wahrnehmung und Interpretation des Bildes eine wesentliche Rolle. (8) Auch die Sprache ist ein Spiegel dafür, welche Vorstellungen die Menschen vom Spiegelbild haben, z. B. schaut man „in den Spiegel“ und sieht das Bild „im Spiegel“. (9) Zum Schluss stellt sich die Frage: „Was ist das eigentlich für ein Bild, welches man sieht?“ Mit diesen vielfältigen Blickwinkeln auf das Spiegelbild beschäftigt sich diese Arbeit. Wie kann nun im Physikunterricht erreicht werden, die Schülervorstellungen vom Spiegelbild hin zu wissenschaftlichen Konzepten zu verändern? Um diese Frage beantworten zu können, werden Theorien zum Wissenserwerb vorgestellt und deren pädagogische Implikationen diskutiert. Neben den Theorien von Piaget und Vygotskij steht die Betrachtung des Conceptual Change mit seinen beiden Ausprägungen des „Weak and Strong conceptual change“ (Carey, 1985) im Vordergrund. Mit dem Verfahren der Didaktischen Rekonstruktion (Kattmann, Duit, Gropengießer, & Komorek, 1997) werden alle Blickwinkel, welche im theoretischen Teil dieser Arbeit diskutiert werden, zusammengeführt und ein Schulungskonzept entwickelt. Zur Evaluation dieses Schulungskonzeptes wurde ein Test entwickelt, welcher Aussagen über das Schülerverständnis der dem Spiegelbild zugrunde liegenden Modellperspektiven ermöglicht. Zentral war hierbei eine Transferaufgabe zum Spiegelbild, bei der die Schüler ihre Lösung erklären und mit einem Bild illustrieren sollten. Die Transferaufgabe wurde in zwei Versionen erstellt. Der Unterschied bestand darin, dass die Schüler in der einen Version eine kleine Teilzeichnung erhielten, die auf der mathematischen Modellierung der Achsenspiegelung beruhte. Studie 1, welche nach ’unverändertem’ Unterricht in fünf Klassen (N=116) verschiedener Schulen durchgeführt wurde, zeigte einen signifikanten Effekt der Hilfestellung. Schüler, die eine Hilfe erhielten, argumentierten signifikant häufiger unter Verwendung der mathematischen Modellierung, welche die Generierung anderer Argumente zu behindern schien. Insgesamt war das Verständnis der Schüler, wie auch vorangegangene Studien zeigten, im Falle des Spiegelbildes eher gering. Die Schulung wurde auf Grundlage des didaktischen Modells der Multiperspektivischen Modellierung entwickelt. Dazu wurde die Entstehung des Spiegelbildes anhand der drei Modellperspektiven: (1) physikalische, (2) ’menschliche und (3) mathematische erklärt. Die Evaluation der Schulung in Kleingruppen (N=23) im Vergleich zu den nicht geschulten Schülern (N=23) ergab signifikant bessere Leistungen der geschulten Schüler. Es konnte festgestellt werden, dass dieses Konzept allen Schülern, leistungsschwachen, mittleren und leistungsstarken Schülern, gleichermaßen hilft. Begeistert vom Erfolg der vierstündigen Schulung wurde das Konzept der Verwendung von Modellperspektiven bei der Erklärung des Spiegelbildes für den Einsatz im Unterricht umgearbeitet. Es entstanden dabei zwei Arbeitsblätter, welche in zwei Unterrichtsstunden bearbeitet werden können. Die Evaluation wurde in vier Klassen (N=95) verschiedener Schulen durchgeführt. Die Verstehensleistungen der Schüler waren signifikant höher im Vergleich zu denen in Studie 1, blieben aber signifikant unter jenen, die an einer vierstündigen Schulung (Studie 2) teilgenommen haben. Die Verwendung von Modellperspektiven bei der Erklärung des Spiegelbildes führte bei den Schülern mit Schulung und bei dem Einsatz von Arbeitsblättern im Unterricht zu einer deutlichen Verbesserung der verwendeten Anzahl von Modellperspektiven bei der Lösung der Transferaufgabe. Das Argumentationsverhalten der Schüler hat sich damit im Vergleich zu den Schülern nach ’unverändertem’ Unterricht deutlich verbessert. Die Verwendung des didaktischen Modells der Multiperspektivischen Modellierung hat sich nicht nur in der besonderen Schulung, sondern auch im normalen Unterrichtsalltag bewährt. Dabei ist besonders zu erwähnen, dass es sich bei dem Einsatz im Unterricht (nur) um die Verwendung zweier Arbeitsblätter, welche die Modellperspektiven thematisierten, handelt. Das entwickelte didaktische Modell dient einerseits dazu, die Struktur des Physikunterrichtes zu verbessern, andererseits kann es zur Evaluation des Schülerverständnisses verwendet werden und ein fundiertes tutorielles Feedback (Narciss, 2006) ermöglichen.

The purpose of this physics didactics work is to contribute to an increased knowledge of learning about electrical circuits. This is done partly through a literature studyof students’ difficulties, but also through an examination of test items on electrical circuits used in the Swedish upper secondary school. In addition to the study, a side project in the form of a translation from English to Swedish of a diagnostic test of understanding of electrical circuits, DIRECT, was carried out. Analyzing the test items on electrical circuits, 18 different categories were developed based on the collected material. The most common type of item was an item about power which also had a connection to reality. Each category was discussed in relation to the theoretical background and some items of additional interest were analyzed in more detail. Several conclusions were made based on this project, for example that a significant part of the items do not require understanding for the question but can be solved by mechanical use of formulas. In line with the research presented a considerable part of the items are dedicated to current on a conceptual level. Another conclusion was that items dealing with shorts and changes in a circuit would have been a welcome addition to the test items. / Syftet med detta fysikdidaktiska arbete är att bidra till en ökad kunskap om lärande om elektriska kretsar. Detta görs dels genom en litteraturstudie av elevers svårigheter, men också genom en undersökning av provuppgifter om elektriska kretsar som används i den svenska gymnasieskolan.Utöver undersökningen genomfördes ett sidoprojekt i form av översättning från engelska till svenska av ett diagnostiskt test av förståelse för elektriska kretsar, DIRECT. I undersökningen utarbetades 18 olika kategorier för uppgifterna om elektriska kretsar utifrån det insamlade materialet. Den vanligaste uppgiftstypen var en uppgift som handlar om effekt och som dessutom hade en verklighetskoppling. Varje uppgiftskategori diskuterades i relation till den teoretiska bakgrunden och några uppgifter av större intresse analyserades mer ingående. Flera slutsatser kunde dras av projektet, till exempel att en stor del av uppgifterna inte kräver större förståelse för frågan utan kan lösas med mekanisk användning av formler. I linje med den fysikdidaktiska forskningen ägnas dock en ansenlig del av uppgifterna åt ström på en konceptuell nivå. En annan slutsats var att uppgifter som behandlar kortslutning och förändringar i en krets hade varit ett välkommet tillägg bland provuppgifterna.

In order to contribute to our understanding of how technologies can be used to visualise physical phenomena in order to support teaching and learning of the phenomena at hand, this licentiate thesis explores the ways in which visual representations created with GeoGebra can be used in upper-secondary physics education. In addition, this thesis provides a new model that can be used to characterise students’ representational competence. This thesis is a compilation of two journal articles. The first article is a systematic review of the current literature on how GeoGebra can be used to support physics education in upper-secondary schools. The second article explores students’ use and interpretation of a provided representation, a GeoGebra simulation of friction, and generation of their own representations.  The systematic literature review identifies three major ways in which teachers and researchers report using GeoGebra in physics education—namely, (1) to design custom-made computer simulations, (2) to augment real experiments with virtual objects, and (3) to engage students in constructing GeoGebra simulations.  The second study shows how students used improvised representations, in the form of gestures, enactments, and drawings,  in their interpretation of links between microscopic aspects of friction and the provided GeoGebra simulation. The study also reveals how, during engagement with provided representations, students spontaneously move across modalities, shifting between provided and self-constructed representations, between physical and digital representations, and between modes of communication (including gestures, spoken language, and enactment).  In addition, a reanalysis of selected examples of data shows that GeoGebra can facilitate transformations of mathematical representations, supporting the structural role and technical role of mathematics, whereby students are enabled to focus on the physical phenomena at hand and the parameters that influence it. / This thesis explores the ways in which visual representations created with GeoGebra can be used in upper-secondary physics education. In addition, this thesis provides a new model that can be used to characterise students’ representational competence. The thesis is a compilation of two journal articles. The first article identifies three major ways in which teachers and researchers report using GeoGebra in physics education. The second article explores students’ use and interpretation of a provided GeoGebra simulation of friction. The study shows how students used improvised representations in their interpretation of links between microscopic aspects of friction and the provided representation. The study also reveals how students spontaneously move across modalities, shifting between provided and self-constructed representations, between physical and digital representations, and between modes of communication (including gestures, spoken language, and enactment). The reanalysis of selected examples of data shows that GeoGebra can facilitate transformations of mathematical representations, supporting the structural and the technical role of mathematics, whereby students are enabled to focus on the physical phenomena at hand.

This diploma thesis deals with didactic games in physics education. A didactic game is a type of an activating teaching method. Didactic games are closely related to didactic toys. In the thesis, a survey of the use of didactic games in physics education is described. Didactic games according to the survey are used by most physics teachers. Eight didactic games were created. I received feedback on four of these games from students as part of piloting at schools. The thesis includes all materials, that are needed for testing the created didactic games. Keywords: didactic game, didactic toy, physics education

The deep interdisciplinarity between physics and mathematics is not always easy to grasp for students. Transferring mathematical skills to a physical context is demanding, and students mainly use mathematics tools (i.e., formulas) for pure calculations rather than as a basis for reasoning. This may create significant learning problems, which result in a lower understanding of physics.In this study, we want to investigate Swedish students' perception of the role of mathematics in their physics education during Högstadet and Gymnasiet (12-19 years old). We addressed this issue by developing a survey of 20 statements, in which the students had to express their level of agreement with each statement on a scale of 1 to 5. The survey had been designed to investigate topics that we found relevant, according to the literature of this specific area of physics education research, and aims to inform us about possible correlations between these various aspects.Here we present the most exciting results that emerged from our collected data. What we found supports the findings that being good at mathematics does not automatically give a broader view of how to use mathematics in physics. Regardless of students’ age and academic performance, the majority perceive no difference between mathematics when taught in a Mathematic class and a Physics class.

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The purpose of this study is to investigate student interactions with simulations, and teacher support of those interactions, within naturalistic high school physics classroom settings. This study focuses on data from two lesson sequences that were conducted in several physics classrooms. The lesson sequences were conducted in a whole class discussion format in approximately half of the class sections and in a hands-on-computer small group format in matched class sections. Analysis used a mixed methods approach where: (1) quantitative methods were used to evaluate pre-post data; (2) open coding and selective coding were used for transcript analysis; and (3) comparative case studies were used to consider the quantitative and qualitative data in light of each other and to suggested possible explanations. Although teachers expressed the expectation that the small group students would learn more, no evidence was found in pre-post analysis for an advantage for the small group sections. Instead, a slight trend was observed in favor of the whole class discussion sections, especially for students in the less advanced sections. In seeking to explain these results, qualitative analyses of transcript and videotape data were conducted, revealing that many more episodes of support for interpreting visual elements of the simulations occurred in the whole class setting than in the matched small group discussions; not only teachers, but, at times, students used more visual support moves in the whole class discussion setting. In addition, concepts that had been identified as key were discussed for longer periods of time in the whole class setting than in the matched small group discussions in six of nine matched sets. For one of the lesson sequences, analysis of student work on in-class activity sheets identified no evidence that any of the Honors or College Preparatory students in the small groups had made use in their thinking of the key features of the sophisticated and popular physics simulation they had used, while such evidence was identified in the work of many of the whole class students. Analysis of the whole class discussions revealed a number of creative teaching strategies in use by the teachers that may have helped offset the advantage of hands-on experience with the simulations and animations enjoyed by the small group students. These results suggest that there may exist whole class teaching strategies for promoting at least some of the active thinking and exploration that has been considered to be the strength of small group work, and appear to offer encouragement to teachers who do not have the resources to allow their classes to engage regularly in small group work at the computer. Furthermore, these examples suggest the somewhat surprising possibility that there may be certain instructional situations where there is an advantage to spending at least part of the time with a simulation or animation in a whole class discussion mode.

Student success is a main interest of concerned educators. Much research has been conducted to investigate strategies and instructional methods that may affect student performance. One such method is that of using an historical approach to physics instruction. The question I wish to investigate is this: How does using an historical approach to physics instruction affect student performance, student attitudes towards science courses, and the maturation of students' "epistemological expertise" (Elby, 2001, p.S54)? I have used historically based instructional materials to develop a unit on gas laws. This unit was taught to 10th and 11th grade Chemistry students at a mid-level socioeconomic Central Florida high school. At the conclusion of the instruction, a twopart test written using examples from the students' textbook was used as an assessment to measure the performance of the students. Also the Epistemological Beliefs Assessment for Physical Science (EBAPS) survey was used to measure changes in the students' epistemological expertise. The EBAPS survey was given as a pre and post assessment. The Maryland Physics Expectations (MPEX) survey has also been utilized as a pre and post survey to measure the changes in the students' attitudes towards the course and to show a bridging of the "two-cultures gap". The MPEX survey indicated no significant changes in student attitudes. Intellectually, it seems as though they still regard physics "as a separate and more-than equal discipline which exists and operates apart from all other activities of the human mind" (Gosselin, 1975, p.15). This is in line with the findings of Abd-El-Khalick and Lederman (2000) in history of science courses where "very few and limited changes in participants' views [ on Nature of Science] were evident at the conclusion of the courses" (Abd-El-Khalick, p.1 ). However, after instruction, the descriptive statistics seem to indicate a shift in the epistemological expertise of the students who received the historically based instruction. They appear to have been able to further develop a pool of "fine-grained epistemological resources" to draw from and activate (Elby, 2003, p.55). The maturation of the students' epistemological expertise may have led to their higher performance on the unit test. . Students who received the historically based instruction made gains of an average of 6.5% on their tests, with the students showing high epistemological expertise making gains of an average of 12%. By comparison, students in the courses receiving traditional instruction showed no improvement. Conducting this research has offered an appropriate look at using an historical approach to physics instruction. In my teaching, using an historical approach proved a useful tool; a tool which is often overlooked in secondary physics classrooms. If utilized, this approach to physics instruction may become a key for greater success in the sciences and across the entire academic spectrum.

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