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.

Keine andere Wissenschaft ist in einem so hohen Maße mathematisiert wie die Physik. Aufgrund dieser engen Verbindung beider Wissenschaften muss geklärt werden, welche Rolle die Mathematik im Physikunterricht spielen soll. Um einen theoretischen Rahmen bereitzustellen, wird ein didaktisches Modell erarbeitet, das mathematik- und physikdidaktische Erkenntnisse mit wissenschaftstheoretischen Argumenten zur Rolle der Mathematik in der Physik verbindet. Unter der daraus resultierenden Perspektive der konzeptuell-mathematischen Physik wird die Aufgabenkultur im Physikunterricht beleuchtet und neue Aufgaben zum Themengebiet der Mechanik konstruiert, die die Übersetzung zwischen physikalischer Bedeutung und mathematischen Strukturen thematisieren. Auf diesen Aufgaben basiert die qualitative empirische Studie, die die Verständnisprobleme von Schülerinnen und Schülern neunter und zehnter Klassen verschiedener Gymnasien beim Verbinden von Physik und Mathematik untersucht. Die Analyse ergibt verschiedene Problembereiche, wobei sich insbesondere beim Übersetzen zwischen physikalischer Bedeutung und mathematischen Strukturen problematische Vorstellungen zeigen. So werden teilweise funktionale Abhängigkeiten zwischen den Faktoren eines Produktes gesehen. Andererseits zeigt sich aber auch, dass der Abgleich zwischen der mathematischen Herleitung und der physikalischen Interpretation der entscheidende Faktor für das erfolgreiche Lösen einer Aufgabe sein kann.

In dieser Studie wurde eine auf eigenständiges Schreiben beruhende Lernmethode im Rahmen einer quasiexperimentellen Studie im Themengebiet Akustik im 11. Jahrgang des Gymnasiums eingesetzt. Aus den vorliegenden lernpsychologischen Grundlagen und didaktischen Erkenntnissen wird eine auf selbstständiges Schreiben beruhende Lernmethode und ein Modell für die Textproduktion für den Einsatz im Physikunterricht entwickelt. Die Intervention, die in der sieben Schulstunden umfassenden Lerneinheit durchgeführt wurde, bestand aus einer vorhergehenden kurzen Einführung in das Schreiben von Texten zu physikalischen Fragestellungen und dem anschließenden Einsatz von speziellen Schreibaufgaben, die in dem herkömmlichen Physikunterricht eingebettet wurden. Der Unterricht zur Akustik in der Interventions- und einer Vergleichsgruppe hatte den selben zeitlichen Umfang und war überwiegend identisch, da die gleiche Grobplanung des Unterrichts und die gleichen Lernziele vorlagen. An der Studie nahmen vier Kurse, zwei davon in der Interventionsgruppe und zwei in der Vergleichsgruppe, teil. Insgesamt konnten 47 Schülerinnen und Schüler in der statistischen Auswertung berücksichtigt werden. Unter Verwendung von Vortests, direkten und verzögerten Nachtests, und dem Vergleich der Interventions- mit der Vergleichsgruppe, wurde der Lernerfolg durch das eigenständige Schreiben untersucht. Als Kontrollvariable wurde der vorhandene allgemeine Wortschatz erhoben. Am Ende der Studie wurde außerdem mit Hilfe eines Fragebogens in der Interventionsgruppe die Einstellung zu der Schreib-Lernmethode erhoben. Die Studie zeigt, dass der Einsatz der Schreib-Lernmethode im Physikunterricht auch in einem nur begrenzten Zeitraum nach einer kurzen Einführung (eine Schulstunde) in die Thematik des Erstellens von Texten mit physikalischen Inhalten möglich ist. Die Auswertung zeigt, dass die Schülerinnen und Schüler durch das in den traditionellen Unterricht eingebettete selbstständige Schreiben von Texten zu physikalischen Fragestellungen Faktenwissen und Fähigkeiten zum Auslesen und Interpretieren von Diagrammen ebenso wie bei rein traditionellen Lernmethoden erwerben und festigen. Somit bereichert das selbstständige Produzieren von Physik-Texten die Methodenvielfalt des Physikunterrichts. Zusätzlich zu dem physikalischen Fachwissen lernen die Schülerinnen und Schüler durch die Schreib-Lernmethode physikalische Sachverhalte zu versprachlichen und in Kontexte einzubinden. Der statistisch signifikante Effekt bei dieser Fähigkeit ist im mittleren Bereich. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Fähigkeit, physikalische Sachverhalte zu versprachlichen, vom vorhandenen physikalischen Fachwissen. Zum allgemeinen Wortschatz besteht ein geringer Zusammenhang. Da kein Zusammenhang zwischen der Fähigkeit, die Fachsprache korrekt zu verwenden und der Fähigkeit zum eigenständigen Versprachlichen von physikalischen Sachverhalten festgestellt werden konnte, scheinen sich diese beiden Arten der Versprachlichung hinsichtlich der involvierten Kompetenzen zu unterscheiden. Das vorgestellte Modell für die Textproduktion wurde insgesamt von den Schülerinnen und Schülern, und besonders von denen mit einer geringen Selbsteinschätzung ihrer Fähigkeiten zum Schreiben von Physik-Texten, als hilfreich eingestuft und kann daher für den Einsatz im Physikunterricht empfohlen werden.

Since the 1980’s, education had to face various challenges such as new technologies, new ways of information gathering but also a reconsideration of conventional educational approaches. As a result, more emphasis has been placed on laboratory work in school science. In many industry nations, this trend was likewise bolstered by unexpected poor results in international comparative assessments (e.g. PISA, TIMSS), as well as students’ poor perception of science and, in relation to that, negative effects on career choices. To combat this growing trend, in Germany many out-of-school science laboratories were established in the recent years to foster interest in science. However, despite their positive temporary effects, approaches to increase effects or to develop long term positive changes are in demand. This research investigates how the out-of-school laboratory effects are affected by a preparation and post enhancement based upon previous studies. Therefore, an online portal was developed which provided cognitive and affective content in order to prepare and post enhance students for their visit in an out-of-school laboratory. The research-based study was aimed at students from grade 10 of lower and upper secondary level who perform one-day experimental activities at the out-of-school laboratory located at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf research center. In doing so, a comparative analysis was conducted between students who used the online portal and control group members who just regularly visited the laboratory without a special preparation or post enhancement. The evaluation follows a pre, post, and follow-up approach. Based on the results of this research, it could be confirmed that the online portal, as a tool to prepare and post enhance students, had a significant impact. Moreso, students’ situational interest was positively promoted through the online portal. This also applied for related features, like students’ self-concept as well as their perceptions of the out-of-school laboratory environment and even slight effects on their individual interest. As it turned out regarding the desired situational interest, females benefitted most. However, again most results suggest that evoked effects diminish over time. Even though this likely can be traced back to the characteristics of the post enhancement of the online portal, outcomes regarding students’ interest in science and a career in physics indicate the post enhancement’s ability to ensure sustainability. Within the sample three classes were identified based on their interests. Accordingly, for all classes’ members the portal fosters their situational interest. This especially applies for less scientific interested students. Assessments on the portal’s perception by the students revealed a high degree of willingness to prepare for the laboratory visit and to spend the time required. A large majority appreciated the online portal for their laboratory work. An extended preparation, like presented in this study, is still regarded as acceptable to the students. Nevertheless, a compulsory preparation and post enhancement is highly recommended. On the whole, it can be concluded that the online portal respectively a preparation and post enhancement is beneficial for activities out-of-school. / Anfang der 1980er-Jahre ergaben sich im Bildungssektor eine Reihe von Herausforderungen, die im Zusammenhang mit neuen Technologien, neuen Wegen des Informationsaustausches, aber auch des Hinterfragens traditioneller Bildungsansätze standen. Im Ergebnis dessen kam der experimentellen Arbeit im naturwissenschaftlichen Unterricht eine stärkere Rolle zu. Unerwartet schwache Ergebnisse internationaler Vergleichsstudien (z.B. PISA, TIMSS) sowie ein schlechtes Image der Naturwissenschaften und damit einhergehende negative Auswirkungen auf die Kurs- und Berufswahl verstärkten diesen Trend in vielen Industrienationen. Vor diesem Hintergrund und mit dem Ziel, Interesse an Naturwissenschaften zu fördern, wurden in Deutschland in den vergangenen Jahren zahlreiche Schülerlabore etabliert. Trotz der Tatsache, dass die Einrichtungen positive Effekte erzielen, sind diese teilweise gering oder schwächen mit der Zeit ab. Wie bisherige Studien vermuten lassen, scheint die Vor- und Nachbereitung von Veranstaltungen im Schülerlabor eine Lösung hierfür zu bieten. Anhand der vorgestellten Studie soll dies untersucht werden. In diesem Zusammenhang wurde ein Online-Portal für Schülerinnen und Schüler entwickelt. Basierend auf kognitiven und affektiven Inhalten bietet es Teilnehmern die Möglichkeit, ihren Schülerlaborbesuch vor- und nachzubereiten. Die Studie richtete sich an Schüler ab der 10. Klasse der Sekundarstufe 1 und 2, die einen Experimentiertag im Schülerlabor DeltaX am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf absolvierten. Dabei wurden in Form einer Vergleichsstudie Teilnehmer mit und ohne Nutzung des Online-Portals gegenübergestellt. Die entsprechenden Daten der Untersuchung wurden durch eine Fragebogenerhebung im Pre-Post-Follow-up-Design erhoben. Die Ergebnisse der Studie bestätigen den signifikanten Einfluss des Online-Portals. So zeigen sich durchaus positive Effekte hinsichtlich der Entwicklung des aktuellen Interesses der Schülerinnen und Schüler. Gleiches gilt auch im Hinblick auf verwandte Konstrukte wie das Fähigkeitsselbstkonzept, die wahrgenommenen Merkmale der Laborumgebung und auch abgeschwächt für dispositionale Interessen. Bezogen auf die angestrebte Förderung des aktuellen Interesses zeigte sich, dass vor allem Schülerinnen profitieren. Allerdings ließ sich für die meisten der hervorgerufenen Effekte ein Absinken im Verlauf der Zeit erkennen. Möglicherweise ist das auf die Umsetzung der Nachbereitung im Rahmen des Online-Portals zurückzuführen. Die Ergebnisse lassen die Vermutung zu, dass die Nachbereitung bezüglich des Interesses an Naturwissenschaften und an einem physikalischen Beruf das Potenzial besitzt, mehr Nachhaltigkeit hervorzurufen. Um Vorinteressen der Teilnehmer zu berücksichtigen, konnten drei unterschiedliche naturwissenschaftliche Interessensklassen identifiziert werden. Es stellte sich heraus, dass die Entwicklung des aktuellen Interesses aller drei Interessenklassen durch das Online-Portal gefördert wird. Dies gilt vor allem für die gering naturwissenschaftlich interessierten Schülerinnen und Schüler. Untersuchungen, die sich auf das Online-Portal selbst bezogen, offenbarten zum einen ein hohes Maß an Bereitschaft, sich auch mit dem dafür notwendigen zeitlichen Aufwand auf den Experimentiertag im Schülerlabor vorzubereiten. Zum anderen schätzt die breite Mehrheit der Teilnehmer das Online-Portal für ihre Arbeit im Schülerlabor. Selbst eine umfangreichere Vorbereitung wird von den Schülerinnen und Schülern als akzeptabel betrachtet. Es wird dennoch dazu geraten, die Vor- und Nachbereitung obligatorisch durchzuführen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie den positiven Einfluss des Online-Portals bzw. der Vor- und Nachbereitung auf außerschulische Aktivitäten.