Since the first studies on perceptual causality, there has been a debate about whether or not causality can be directly perceived or if reports of causality are the products of higher level memory and cognition. This dissertation directly tests the relationship between causality, animacy, and higher level cognition for events that entail one and two force interactions. Perceptual causality and animacy were reported in a recognition task where participants viewed animations of single and two force events. The events simulated: interactions that obeyed the laws of physics, interactions that reflected high frequency alternate conceptions found through a pilot study, and a parametrically varied set of angular deviations from the motions in the set that obeyed physics. Results showed that reports of perceptual causality and perceptual animacy were highly negatively correlated. Solutions that likely appeared physically plausible—such as correct physics paths and high frequency alternate conceptions—were rated as high in causality and low in animacy and highly implausible solutions—such as motions 180 degrees from the correct physics path—were rated as low in causality and high in animacy. Higher level cognition was tested through a production task where participants were asked to predict the path they believed a ball would take when acted upon by one or two forces. This task allowed novices to report their conceptions of single and two force interactions. In addition to paths that closely resembled the physically correct path, people also frequently produced paths that had inaccurate angles, that were curved, or that appeared to be determined by the larger or more recent of the two forces. The combined results suggest that higher level cognition played a role in the experience of causality and animacy in the animations, with animation paths similar to those generated during the production task rated higher in naturalness and lower in animacy than other types of paths, but that this effect was dependent on the complexity of the force interaction. Recognition task results for single force and two equal forces facing each other were not predicted by the type of path generated during the production task, but production task results did predict recognition task ratings for all other force relations tested. Different aspects of the data support each of the two sides of the debate; causality may be directly perceived in some, but not all, situations. / Psychology

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In der Teilchenphysik existieren für zentrale Begriffe oftmals Synonyme. Beispielsweise wird für Botenteilchen auch die Bezeichnung Austauschteilchen oder Eichboson genutzt. Im Englischen finden sich analog force carrier, messenger particles oder gauge bosons. Es fehlt bisher an Übersichten über die Nutzung einzelner Termini, wie diese Begriffe im Deutschen und Englischem verwendet werden sowie welche Begründungen und Verstehenskontexte eine Rolle spielen. Aus linguistischer Perspektive zählt nicht nur der einzelne Begriff, sondern insbesondere der Frame (= konzeptuelle Wissenseinheit) der damit evoziert wird. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine qualitative Inhaltsanalyse bezüglich der Fragestellung, wie vier zentrale Begriffe (Austausch, Wechselwirkung, Umwandlung, Stoß) in der Teilchenphysik genutzt werden, zu erarbeiten. Das Forschungsdesgin orientiert sich dabei an Methoden der qualitativen Forschung. Die Datenerhebung erfolgt auf zwei Wegen: Zum einen über eine computergestützte Dokumentenanalyse ausgewählter Fachbücher der Teilchenphysik in deutscher und englischer Sprache; zum anderen mit leitfadengestützten Expert:inneninterviews, welche am Rande der 26. IPPOG-Tagung 2023 am CERN durchgeführt wurden.

<p dir="ltr">The study investigates the effectiveness of productive failure learning using a contrasting-cases design of ill-structured problems followed by well-structured problems. Fifty-one future elementary school teachers, enrolled in an undergraduate physics course were randomly assigned to one of the three conditions: a) ill-structured followed by well-structured problems (IS-WS), b) well-structured followed by well-structured problems (WS-WS), and c) ill-structured followed by ill-structured problems (IS-IS). The study hypothesized that the first condition with a contrasting-case design would outperform the non-contrasting-case design. After solving treatment problems in their respective conditions, all the participants took a post-test that comprised both ill-structured and well-structured problems. The one-way and two-way ANOVA results showed that while productive failure learning (IS-WS) outperformed WS-WS on both procedural and conceptual knowledge in the well-structured post-test, there was no significant difference between the three learning conditions in the ill-structured post-test. The findings indicated that structuring instruction lies on a continuum between highly structured and unstructured. For higher-level physics education, productive failure learning provided the optimum balance of discovery learning via ill-structured problems and guided instruction via well-structured problems to activate prior knowledge, draw attention to critical features of the canonical concept, and facilitate motivation and excitement within learners, resulting in effective learning.</p>

The aim of this study was firstly to evaluate the impact of two interactive-engagement models of instruction, namely Whole Class Discussions (WCD) and Computer Simulations (CS) on first year physics student-teachers’ conceptual understanding of Newtonian mechanics, and on their epistemological beliefs about physics. The force concept inventory was used to evaluate the impact on conceptual understanding while the Epistemological Beliefs About Physical Science questionnaire was used to evaluate the impact on their epistemological beliefs. The findings suggest that interactive engagement models had a positive impact on students’ conceptual understanding of Newtonian mechanics, and on their epistemological beliefs about physics. The study also contributed WCD and CS activities that can be used or adapted with an aim of enhancing conceptual understanding in physics. The study did not show any direct relationship between students’ conceptual understanding of Newtonian mechanics and their epistemological beliefs about physics. Key words: Interactive-engagement, Whole Class Discussion, Computer Simulations, epistemological beliefs about physics. / Physics / M.Sc. (Physics Education)

Die vorliegende Studie diskutiert die Entwicklung eines Testinstruments zur Messung von Bewertungskompetenz im Sinne der Teilkompetenz Bewerten, Entscheiden und Reflektieren (BER) innerhalb des Göttinger Modells der Bewertungskompetenz im Kontext nachhaltiger Entwicklung (Bögeholz 2011) für das Unterrichtsfach Physik in der Sekundarstufe. Die ausgewählten Aufgabenkontexte beschreiben die Erzeugung, die Speicherung und die Nutzung elektrischer Energie. Sie schließen damit auch an die aktuelle gesellschaftliche Diskussion um Erneuerbare Energien an und untersuchen diesbezüglich das Entscheidungsvermögen und die Bewertungskompetenz heutiger Schülerinnen und Schüler. Die Einsatzfähigkeit des in dieser Studie entwickelten Testinstruments wurde zunächst im Rahmen zweier Vorstudien überprüft, bevor die Haupterhebung als Querschnittstudie in den Jahrgängen 6, 8, 10 und 12 erfolgte (N = 850 Schülerinnen und Schüler an Gymnasien). Nach dem Ansatz von Eggert (2008), Eggert und Bögeholz (2006, 2010) ist es dabei als paper-and-pencil -Test konzipiert und beinhaltet zwei Entscheidungsaufgaben und eine Reflexionsaufgabe. Die empirisch gewonnenen Daten wurden zunächst anhand eines entwickelten Scoring Guides codiert und anschließend sowohl unter Gesichtspunkten der Klassischen als auch der Probabilistischen Testtheorie ausgewertet. Das entwickelte Testinstrument hat sich unter Reliabilitäts- und Validitätsaspekten bewährt. Item-Fit-Parameter zeigen, dass sich die empirischen Daten gut in einem eindimensionalen Rasch-Partial-Credit-Modell abbilden lassen. Unter anderem konnten Zusammenhänge von BER mit dem Schulalter der Schülerinnen und Schüler nachgewiesen werden. Geringe Korrelationen von BER bestehen zu verschiedenen Schulnoten (u. a. zu Deutsch, Mathematik, Politik und Physik in der Klasse 10), zudem wird das Testergebnis für BER kaum von Lesekompetenzen beeinflusst. <p><p> Externer Link zum Testinstrument: http://dx.doi.org/10.7477/39:41:17

Mit Pfeilen lassen sich auf angemessene Weise im Physik- und Mathematikunterricht in verschiedenen Themenbereichen vektorielle Betrachtungen umsetzen. Solche Vektorpfeile stellen ein Symbolsystem dar, mit dem sich Situationen mathematisieren und Probleme modellieren lassen. Ist das Wissen um die Handhabung der Vektorpfeile nicht an spezielle Inhalte und Kontexte gebunden, eröffnen sich für den Agierenden auch in unbekannten, neuen Situationen erweiterte Handlungsoptionen. Vektorpfeile funktionieren dann als sogenannte mentale Werkzeuge. Es war das Ziel der im Mechanikunterricht der Mittelstufe umgesetzten Studie, einen entsprechenden Transfer von Wissen sichtbar zu machen. Die Studie ist als quasiexperimentelle Feldstudie mit drei Treatmentgruppen und einer Baselinegruppe angelegt worden. Die Treatments umfassen mehrstündige Lerneinheiten, in denen das Konzept der Vektorpfeile mit ein, zwei beziehungsweise ohne physikalische Anwendungen der Pfeile gelehrt wurde. Eine erhöhte Anzahl an Anwendungen betont die Inhaltsunabhängigkeit und Flexibilität der Pfeile und vermittelt sie im Sinne eines mentalen Werkzeugs. Hypothesenkonform wird bezüglich einer Skala des Nachtests sichtbar, dass der Unterricht, der mehrere Anwendungen umfasst, zu höheren Leistungen der Probanden bei ihnen unbekannten Anwendungen führt. Außerdem zeigt eine explorative Analyse, dass schwache Probanden besonders vom anwendungsreichen Unterricht profitieren. Es wird jedoch insgesamt deutlich, dass für die Nutzung der Vektorpfeile als mentales Werkzeug weitere Einflussfaktoren eine Rolle spielen. / Arrows can be used in an adequate way to carry out vector calculations in different subject areas of physics and mathematics education. Such vector arrows can be understood as a symbol system with which situations and problems can be modelled mathematically. If the knowledge about the usage of arrows is not attached to specific contents and contexts, additional options arise in new and unknown situations. In this case vector arrows act as so called mental tools. It was the aim of the implemented study to verify such a transfer of knowledge in mechanics education of middle school. The study was designed as a quasi-experimental field study with three treatment groups and one baseline group. The treatments consists of four lessons in which the concept of vector arrows was taught with one, two or without an embodiment of the arrows by physical quantity. An increased number of embodiments emphasizes the independence of contents and the flexibility of the arrows. Thus, arrows become a mental tool. In line with the hypothesis one scale of the post-test shows that the teaching, which involves multiple embodiments of arrows, leads to higher performance related to unknown embodiments.However, it becomes clear, that other factors play a role in the usage of arrows as mental tools.

Diese Forschungsarbeit beschreibt und bewertet beobachtbare Experimentierprozesse hinsichtlich der grundlegenden naturwissenschaftlichen Arbeitsweise „Umgang mit Variablen“, die Gymnasiasten am Ende der Sekundarstufe I bei der Bearbeitung einer offenen Experimentieraufgabe im Physikunterricht zeigen. Dargelegt wird zudem der Nutzen einer differenzierten Begriffsbestimmung für eine zielorientierte und strukturierte Entwicklung von offenen Experimentieraufgaben. In einer empirisch-quantitativen Exploration mit 82 Schülern wird eine offene Aufgabenstellung zum Thema Windenergie eingesetzt, die den Experimentierenden bezüglich der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise einen hohen Grad an Entscheidungsmöglichkeiten erlaubt. Die Studie möchte für den Umgang mit Variablen die Wirksamkeit der offenen Experimentieraufgabe aufzeigen und zwar unter der Bedingung, dass Schüler vor der Bearbeitung der offenen Experimentieraufgabe eine vorbereitende bzw. keine vorbereitende Instruktion erhalten. Das Hauptinteresse der vergleichenden Studie liegt bei einem Kontexttransfer, den die Schüler von der vorbereitenden Instruktion auf die offene Experimentieraufgabe leisten müssen, wenn sie a) keinen Wechsel der Experimentierbedingungen und b) einen Wechsel der Experimentierbedingungen vorfinden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fähigkeit der Probanden mit Variablen umzugehen, durch den Einfluss einer vorbereitenden Instruktion erheblich gesteigert wird. Eine Abhängigkeit vom Grad der Kontextunterschiede zwischen der vorbereitenden Instruktion und der offenen Experimentieraufgabe wird nur gefunden, wenn die Probanden neben den veränderten Kontexten auch veränderte Experimentierbedingungen vorfinden. Die Ergebnisse verleiten für die Vermittlung der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise „Umgang mit Variablen“ zu der forschungsbezogenen Aussage: Mehr Offenheit beim Experimentieren wagen! / This research paper describes and rates observable experimental processes secondary school students’ (aged 16) reveal concerning the fundamental scientific method of using variables in open-ended experimental tasks in the physics classroom. In addition, the benefit of a corresponding sophisticated definition will be shown in order to enable a goal-oriented and structured development of open-ended experimental tasks. In an empirical quantitative exploration with 82 school students, an open-ended problem on the topic “wind power” is utilized, allowing a high degree of autonomy in decision-making concerning the scientific method of using variables. The study aims at demonstrating the effectiveness of open-ended experimental tasks depending on whether the students received preparing instruction beforehand. The main interest of the comparative study lies in a transfer of context that students need to perform between the preparing instruction and the open-ended experimental task with or without a shift of experimental conditions. The results show that the students’ ability to use variables is highly enhanced by receiving preparing instructions. Dependence on the degree of context-shift between preparing instruction and open-ended experimental task is only the case when students find beyond shifted contexts altered experimental conditions. Concerning the teaching of the scientific method of using variables, the results lead to a research-related statement: dare to employ more open-ended experiments!