Kooperatives Lernen mit dem smarten Physiklabor – Chancen der Digitalisierung für die Physikausbildung ergreifen

PD Dr. Frank Stallmach, Dr. Peter Rieger (Bereich Didaktik der Physik)

Smartphones, Tablets und andere mobile Rechner sind mittlerweile unter Studierenden und Lehrkräften weit verbreitet. Ihre Ausstattung mit digitalen Sensoren ermöglicht es, sie als smartes Physiklabor zu nutzen, um Gesetzmäßigkeiten und physikalische Effekte selber zu erfahren, zu „entdecken“ bzw. in Experimenten zu überprüfen.

Im Rahmen unseres in der 8. Projektkohorte geförderten Lehrprojekts zum smarten Physiklabor, entwickeln wir für die Studiengänge Staatsexamen Lehramt Physik (Gymnasium, Oberschule und Förderschule) die Module Experimentalphysik – Mechanik und ihre mathematischen Methoden (EP1), Grundlagen des Unterrichtens (FD2) und Physik Lernen und Lehren (FD4) so weiter, dass die Studierenden in die Lage versetzt werden, physikalische Experimente eigenständig zu planen, durchzuführen, die gewonnenen Daten zu bewerten und zu analysieren sowie ihre Ergebnisse fachgerecht zu interpretieren, zu diskutieren und zu dokumentieren. Aufgrund der mit dem smarten Physiklabor verbundenen Modernisierung unserer Lehre und der überaus positiven Annahme dieses neuen Lehrkonzepts durch die Studierenden beabsichtigen wir mit dem Folgeantrag, die Arbeit mit dem smarten Physiklabor in den Studiengängen Staatsexamen Lehramt Physik zu verstetigen und unter Berücksichtigung der gesammelten Erfahrungen sowie der Hinweise der Studierenden zielgerichtet zu erweitern und zu verbessern. Dabei rücken insbesondere die Erfordernisse des kooperativen Lernens in Kleingruppen und die damit verbundenen Herausforderungen zum Feedback und zur Leistungsbewertung durch die Lehrkräfte in den Vordergrund. Wir werden dazu die Chancen der Digitalisierung nutzen, um insbesondere die Fehlerkultur (Fehler zulassen, mit digitalen Medien aufzeigen und als Zentrum der Interaktion zwischen Studierenden und Lehrkräften begreifen) und die Kooperationskultur (Potenziale zur Leistungssteigerung im Austausch und der Kooperation ausschöpfen) für die Arbeit mit unseren Studierenden zu entwickeln. Dazu sind Weiterentwicklungen der Aufgabenstellungen, der zugehörigen Feedbacks und der Bewertungsrichtlinien für die Module EP1, FD2 und FD4 vorgesehen. Die Studierenden bei der Bearbeitung dieser Aufgabenstellungen und bei der Entwicklung von eigenen Lehrsequenzen mit Tutorien unterstützt. Wir werden durch diese Erweiterung des selbstständigen Lernens mit dem smarten Physiklabor ein nachhaltiges und kompetenzorientiertes Lernen der zukünftigen Physiklehrer fördern.

Für das EP1-Modul wird ein Experimentiertutorium konzipiert und durchgeführt, in dem das selbstständige Experimentieren und Analysieren mit dem smarten Physiklabor vermittelt wird. Die Tutoren bzw. Übungsleiter werden die Studierenden ermutigen, ihre eigenen Ideen im Rahmen der durch die Aufgabenstellungen vorgegebenen fachlichen Inhalte und Kompetenzziele zu verfolgen. Anhand der aufgezeichneten digitalen Daten wird es möglich, die Richtigkeit der Lösungsstrategien der Studierenden unmittelbar zu erkennen bzw. Unzulänglichkeiten, Fehler und Fehlkonzepte in der Umsetzung der Aufgabenstellung aufzuzeigen. Diese werden im Sinne der Fehlerkultur in der Kommunikation zwischen Lehrkräften und Studierenden erörtert. Die Studierenden erhalten so Feedback zu ihren Lösungsideen und die Möglichkeit, sowohl ihren Lernerfolg als auch ihren Kompetenzgewinn daran auszurichten und selbst zu steuern.

Die Studierenden bereiten in der Fachdidaktik mit dem smarten Physiklabor Lernsituationen für den Physikunterricht auf (FD2) und sammeln Erfahrungen beim Einsatz von Handexperimenten und eigenen Unterrichtsversuchen (FD4), in denen die Umsetzung der Fehler- und Kooperationskultur in ähnlicher Weise vorteilhaft zum Tragen kommen wird. Sie verbinden dabei ihre Kenntnisse zu Fehlkonzepten der Lernenden mit dem Einsatz des smarten Physiklabors, und erweitern damit die Strategien zur Überwindung von Fehlkonzepten im Sinne eines konstruktivistischen Vorgehens mittels dieses digitalen Mediums. Durch Austausch und Kooperation untereinander und mit den Lehrkräften, der in den Lehrveranstaltungen stattfindet und im Fachdidaktiktutorium vorbereitet und begleitet wird, werden hierbei Selbstlernprozesse und Handlungskompetenzen der Studierenden gefördert.

Darüber hinaus geben wir unsere Erfahrungen und Aufgabenstellungen aus der ersten Phase dieses Lehrprojekts im Sinne eines Know-How-Transfers (Kooperationskultur) an in der Experimentalphysik und Physik-Fachdidaktik tätige Kollegen für den Internationalen Physikstudiengang und die wissenschaftliche Ausbildung von Lehrkräften weiter. Wir werden den Teams beider Kollegen unsere bisher entwickelten Aufgabenstellungen zur Adaption in ihren Lehrveranstaltungen zu Verfügung stellen und gemeinsam mit ihnen an neuen Aufgabenstellungen für die Elektrizitätslehre arbeiten, die in den EP2-Modulen unserer Physik-Staatsexamen-Studiengänge, des IPSP-Studiengangs und der wAL Physik eingesetzt werden können.