Dissertation - Veröffentlichungen - Tagungen - Zur Person - Lehrtätigkeit

Konzepte zur mechanischen Welle
- eine historisch-didaktische Rekonstruktion -

Zusammenfassung -deutsch-

Die Dissertation ist im Bereich der Didaktik der Physik angesiedelt. Sie beschäftigt sich hauptsächlich mit Schülervorstellungen zum Themengebiet Mechanische Welle und den Möglichkeiten, diese für den Physikunterricht nutzbar zu machen. Das Themengebiet wird normalerweise in der Sekundarstufe II im Zusammenhang mit dem Halbjahresthema Schwingungen und Wellen unter-richtet.
Zu Beginn wird die internationale Perspektive der Konzeptwechselforschung vorgestellt, die sich in den 90er Jahren aus der Schülervorstellungsforschung der 80er Jahre entwickelt hat. Diese Forschungsrichtung befasst sich u.a. damit, wie Schülervorstellungen und wissenschaftliche Vorstellungen fruchtbar zusammengebracht werden können. Dabei steht im Mittelpunkt der Diskussi-on, wie ein Wechsel von den alltäglichen Schülervorstellungen hin zu akzeptierten wissenschaftlichen Vorstellungen vonstatten geht und wie Unterricht gestaltet werden muss, damit der intendierte Konzeptwechsel erfolgreich ist. Ausgehend von dieser Diskussion wird auf der Basis der deutschen und internationalen Erhebungen der Schülervorstellungen eigene empirische Untersuchungen zum Schülerkonzept und eine Erweiterung des Modells der Didaktischen Rekonstruktion (Kattmann et al. 1997) entwickelt. Das Forschungsmodell der Didaktischen Rekonstruktion wird ausgebaut zu einer historisch-didaktischen Rekonstruktion; insgesamt besteht die historisch-didaktische Rekonstruktion aus drei Forschungsaufgaben: Erfassung der Lernerperspektive, historisch-fachliche Klärung und historisch-didaktische Strukturierung. Innerhalb dieses Rahmens werden Schülervorstellungen zum Themengebiet Mechanische Welle erhoben. Diese Schülervorstellungen werden mit der wissenschaftshistorischen Entwicklung des Wellenbegriffs in Verbindung gebracht und schließlich in Leitideen für die Gestaltung von Unterricht umgesetzt.
Die Erfassung der Lernerperspektive erfolgte mit Hilfe des schülerkonzeptorientierten Interviews (SKOI). Dieses selbst entwickelte Erhebungsinstrumentarium berücksichtigt in der Auswertung neben der Sprache auch Aspekte der Mimik und Gestik. Die Untersuchung umfasst Interviews mit 27 Schülern und 20 SchülerInnen. Die Auswertung der Schülerkonzepte erfolgte mit Hilfe eines fünfphasigen Auswertungsverfahrens. Die Schülerkonzepte konnten anhand der Beschreibung der Entstehung und Ausbreitung einer Welle in zwei Typologien eingeteilt werden, die durch die Annahme eines horizontalen (Typologie A) und eines vertikalen (Typologie B) Materietransports gekennzeichnet waren. Die beiden Typologien umfassten insgesamt zehn Typen. Die überwiegende Anzahl der interviewten SchülerInnen argumentieren mit einem horizontalen Materietransport (Typologie A).
Die fachlich-historische Klärung befasst sich mit der Genese des Wellenbegriffs in der Geschichte der Physik. Dafür wurden Lehrwerke von Autoren aus unterschiedlichen Jahrhunderten ausgewählt, nämlich von Leonardo da Vinci, Isaac Newton, Christiaan Huygens und den Gebrüdern Ernst Heinrich und Wilhelm Eduard Weber. Diese wurden mit Hilfe des bereits für die Analyse der Schülerkonzepte entwickelten Verfahrens ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, dass bis zu Beginn des 19. Jahrhunderts für die Ausbreitung der Welle eine ähnliche Erklärung - des horizontalen Materietransports - verwendet wurde, wie sie bei den SchülerInnen aufgefunden wurde. Es zeigt sich auch, dass die Beschreibung der mechanischen Welle eng mit der Entwicklung des Energiebegriffs in der Mitte des 19. Jahrhunderts zusammenhängt. Der Energiebegriff wird erst in dieser Zeit in der scientific community etabliert.
Die abschließende Diskussion der historisch-didaktischen Strukturierung befasst sich damit, wie es möglich ist, diese Parallelen zwischen Schülervorstellungen und Wissenschaftsentwicklung in den Physikunterricht zu integrieren. Es werden getrennt aus den beiden Untersuchungsergebnissen sogenannte Leitideen entwickelt, die sich zur Umsetzung in den Physikunterricht eignen. Neben den fachlichen Aspekten sollen auch wissenschaftshistorische Aspekte in den Unterricht eingebracht werden. In der historisch-didaktischen Strukturierung wird eine Unterrichtseinheit vorgestellt, die auf der Planungsebene zeigt, wie ein solcher Unterricht aussehen kann. Das Themengebiet Mechanische Welle eignet sich dazu, eine erste begriffliche Vorstellung von Energie in der Sekundarstufe I einzuführen.
Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die historisch-didaktische Rekonstruktion das Potential besitzt - ausgehend von wissenschaftsgeschichtlichen Aspekten - Aspekte der Konzeptwechselforschung fruchtbar mit einer schulischen Instruktion im Themengebiet Mechanische Welle in Zusammenhang zu bringen. Es konnte dargelegt werden, dass gerade die wissenschaftshistorischen Aspekte dazu führen können, die SchülerInnen bei ihren individuellen Konzepten abzuholen. Ein weiterer Aspekt ist die Thematisierung des Phänomens Welle im Unterricht. Die Analyse der Schülerkonzepte ergab, dass der Begriff der Welle bei den SchülerInnen äußerst positiv besetzt ist und sich somit eignet -, im Kontext der Alltagsvorstellung - im Physikunterricht angesprochen zu werden.

Conceptions on Mechanical Waves
- a historic educational reconstruction-

Abstract

This study focuses on students’ conceptions of mechanical waves as a basis for physics teaching and was conducted in the context of the conceptual change discussion of the late 90’s, which evolved from conceptions research in the late 80’s.
In the first part of the study, the author develops a definition of students’ conceptions and argues for the use of the model of Educational Reconstruction (see Duit, Gropengießer & Kattmann 2005) as a research and development programme in the conceptual change discussion.
This discussion emerges from a comparison of different conceptual change theories. Furthermore, the author develops a historic educational reconstruction based on the model of Educational Reconstruction. This particular model was used as the study’s framework and encompasses the following research objectives: comprehension of students’ conceptions, scientific historical clarification, and historic educational construction. These objectives are connected in interdependency and can, therefore, inform each other and bring about change.
The first objective, the comprehension of students’ conceptions, was explored by interviewing students at different secondary school grade levels in one-on-one interviews. The interview implementation and analysis followed the student conceptions oriented interview, an innovative method developed by the author. One key aspect of this method was to record – besides talking – facial expression and gesture of the students with a video camera. This allowed transcribing the interviewees’ body language as important part of the interview data and its later analysis on mul-tiple levels. The analysis resulted in a typology, which was developed to categorize students’ conceptions: Type A describes conceptions, which encompass the propagation of waves as a horizontal transportation of particles. Type B comprises students’ conceptions describing that water particles remain at their horizontal location but move vertically. Most of the students belong to the A-type.
The second objective of the model is the scientific historical clarification. The investigation is carried out with textbooks from the history of physics. The aim was to reconstruct the historical genesis of mechanical waves in science. The analysis showed that early scientific concepts of mechanical waves are similar to students’ conceptions which were found in the interviews of type A. Especially early concepts from the 16th century on when scientists defined the propagation of a wave as a hitting or pushing process are similar to these students’ ideas. In the 1850’s, after Weber and Weber published their textbook Wellenlehre (Weber & Weber 1825), the energy concept was established as a new paradigm in the scientific community. Ever since, the explanation of the wave propagation was interpreted as a form of energy transportation in the scientific community. In this study, it could be demonstrated that the historical genesis of the wave concept is consequently intertwined with the development of the energy concept.
The third objective, the historic educational construction, is focused on implementing the history of science in physics instruction in school. Therefore, potential key suggestions for physic lessons are provided on the basis of the study’s results. It is demonstrated, for example, how ideas from the field of history of science can be successfully incorporated into physics lessons plans for secondary school students. A particular concern was how historical experiments can be used in demonstrating the energy concept within wave phenomena. The suggested historic educational reconstruction has the potential to foster fruitful learning connected with conceptual changes, especially when aspects of history of science are integrated into physics education.

Heering, Peter & Osewold, Daniel (2005): /Ein Problem, zwei Wissenschaftler, drei Instrumente/. Centaurus 47, S. 115-139.

Osewold, Daniel (2005): Schülervorstellungen zu mechanischen Wellen. In: Pitton, Anja (Hrsg.): Relevanz fachdidaktischer Forschungsergebnisse für die Lehrerbildung. [Jahrestagung der GDCP in Heidelberg 2004]. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP), Band 25, Münster: LIT-Verlag, 2005, S. 414-416.

Osewold, Daniel (2004): Wellen - Was verbinden SchülerInnen damit?. Vorstellung des Forschungsvorhabens und erste Ergebnisse der Vorstudie. In: Pitton, Anja (Hrsg.): Chemie- und physikdidaktische Forschung und naturwissenschaftliche Bildung [Jahrestagung der GDCP in Berlin 2003] . Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP), Band 24, Münster: LIT-Verlag, 2004 (S. 206-209).

Osewold, Daniel (2003): Students' conceptions about mechanical waves. In: Metz, Don (Ed.): Proceedings of the 7th International History and Philosophy of Science and Science Teaching Conference, Winnipeg, 2003, pp. 674-682.

Osewold, Daniel (2005): Schülervorstellungen zu mechanischen Wellen. In: Pitton, Anja (Hrsg.): Relevanz fachdidaktischer Forschungsergebnisse für die Lehrerbildung. [Jahrestagung der GDCP in Heidelberg 2004]. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP), Band 25, Münster: LIT-Verlag, 2005, S. 414-416.

Osewold, Daniel (2006): Discovering Students' and Historical Conceptions of Mechanical Waves. Online-Proceedings of the 8th International History and Philosophy of Science and Science Teaching Conference in Leeds, 2005

Heering, Peter & Osewold, Daniel (2007): Constructing Scientific Understanding through Contextual Teaching. Berlin: Frank & Timme Verlag, 2007

Osewold, Daniel (2007): Konzepte zur mechanischen Welle -eine historisch-didaktische Rekonstruktion-. Oldenburg: Didaktisches Zentrum, 2007. [Beiträge zur Didaktischen Rekonstruktion, Band 17] 

Ich bin am 13.07.1976 in Meppen geboren und verbrachte meine gesamte Kindheit und Jugend in Meppen. Hier habe ich die Grundschule, Orientierungsstufe und das Gymnasium besucht. Meine Schulausbildung schloss ich 1996 mit dem Abitur ab. Im Anschluss daran leistete ich den Ersatzdienst am Krankenhaus Ludmillenstift Meppen. Im Oktober 1997 nahm ich das Studium für das gymnasiale Lehramt (Fächer: Physik und Mathematik) an der Carl von Ossietzky Universität auf und beendete dieses im Sommer 2002 mit dem 1. Staatsexamen. Während des Studiums bekamen meine Frau und ich zwei Kinder, ein Mädchen (Marieke 1999) und einen Jungen (Henrik 2001). Seit dem 1.10.2002 bin ich als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg angestellt.