UNIVERSITÄTSBIBLIOTHEK

iMechanics: Smartphones als Experimentiermittel im Physikunterricht der Sekundarstufe II Wirkung auf Lernerfolg, Motivation und Neugier in der Mechanik

  • Ausgangspunkt und Vorgehen: Smartphones bieten zahlreiche interessante Experimentiermöglichkeiten und weisen dabei Vorteile gegenüber herkömmlichen Experimenten auf: Die Geräte besitzen verschie- dene interne Sensoren, so dass mit nur einem Medium viele verschiedene physikalische Phänomene untersucht werden können. Smartphones eignen sich zur Behandlung der Mechanik, der Akustik, des Elektromagnetismus, der Optik und der Radioaktivität, wobei Experimente sowohl innerhalb, als auch außerhalb der Schule möglich sind. Hinzu kommt, dass heute nahezu alle Jugendlichen ein eigenes Smartphone besitzen, so dass auch die Möglichkeit besteht, Versuche als Hausaufgabe einzusetzen. Diese Vorteile sind in der fachdidaktischen Forschung bekannt, weswegen bereits zahlreiche experimentelle Konzep- te in der Literatur vorhanden sind. Im Gegensatz zur Erstellung experimenteller Konzepte wurde die empirische Untersu- chung der Lerneffekte von Smartphones allerdings von der Forschung bisher kaum in den Blick genommen, obwohl Auswirkungen auf Motivation, Neugier und Leistung auf der Grundlage verschiedener theoretischer Rahmenwerke (kontextorientiertes Lernen, Neu- gier, Cognitive Load Theory und Cognitive-Affective Theory of Learning with Media) ange- nommen werden können. Eine schrittweise Erkundung der Auswirkungen des Einsatzes der Geräte auf affektive und kognitive Variablen des Lernens ist daher notwendig. In die- sem Sinne wird als ein erster Schritt hin zu einem umfänglichen Verständnis der Möglich- keiten der Förderung des Lernens in Physik durch das Experimentieren mit Smartphones und den darin verbauten Beschleunigungssensoren eine Untersuchung in einer traditionel- len Unterrichtssituation mit bewährten Experimenten im Themenbereich Mechanik durch- geführt. Auch wenn so das Potenzial der Geräte nicht vollständig ausgenutzt wird, wurde diese Vorgehensweise aus zwei Gründen beschritten: Zum einen muss das Lernen außer- halb des Unterrichts im Unterricht vorbereitet werden; zum anderen lässt sich so eine gute Kontrollierbarkeit und geringe Konfundierung der untersuchten Variablen bei gleichzeitig hoher ökologischer Validität realisieren. Zur Untersuchung der Lerneffekte durch den Einsatz der Beschleunigungssensoren von Smartphones wurde zunächst eine Pilotstudie mit 122 Schülerinnen und Schülern durch- geführt. An der anschließenden Hauptstudie nahmen 245 Schülerinnen und Schüler aus 15 Klassen und Kursen von sechs Gymnasien aus Rheinland-Pfalz teil. Für beide Studien wurden experimentelle Aufbauten und zugehörige Instruktionsmaterialien für inhaltsgleiche Experimente mit dem Beschleunigungssensor von Smartphones einerseits und mit traditio- nellem Equipment andererseits entwickelt. Außerdem wurden verschiedene Testinstrumen- te konstruiert oder adaptiert. Ausgewählte Ergebnisse: Außer den bereits bekannten praktischen und experimentellen Vorteilen von Smartphones kann der Einsatz des Beschleunigungssensors der Geräte förderlich für das Lernen sein. Zunächst wurde festgestellt, dass keine der häufig befürchteten Nachteile der Nutzung moderner Kommunikationsmedien im Unterricht auftraten. Die Schülerinnen und Schüler waren durch den zielgerichteten Medieneinsatz nicht überfordert: Der von den Schülerin- nen und Schülern wahrgenommene allgemeine Cognitive Load war in der Smartphone- Gruppe nicht größer als in der Kontrollgruppe, der speziell auf die Nutzung der Geräte be- zogene Cognitive Load wurde als eher klein empfunden. Die Lernleistung der Schülerinnen und Schüler war außerdem unabhängig von ihrer Vorerfahrung mit Experimenten oder mit Technik, eine befürchtete Limitierung der positiven Effekte von Smartphones auf bestimmte Schülergruppen war also nicht festzustellen. Häufig wird als Argument gegen Smartphones in der Schule ins Feld geführt, dass diese zu stark vom Unterricht ablenkten. Eine beson- ders große Ablenkung konnte jedoch in der Intervention nicht beobachtet werden: Die Schülerinnen und Schüler der Smartphone-Gruppe arbeiteten ebenso konzentriert wie die der Kontrollgruppe (die bisweilen ebenfalls durch Gespräche oder Ähnliches abgelenkt waren). Dementsprechend war auch keine Minderung des Lernerfolgs in der Smartphone- Gruppe festzustellen. Neben dem Ausbleiben befürchteter Nachteile traten außerdem explizite Vorteile durch das Lernen mit Beschleunigungssensoren von Smartphones auf: Das Interesse und Engage- ment der Schülerinnen und Schüler in der Smartphone-Gruppe war signifikant größer als das in der Kontrollgruppe (d = 0,4). Dabei ist der gefundene Gruppenunterschied so groß, dass davon ausgegangen werden kann, dass hier mehr als ein bloßer Neuigkeitseffekt vorliegt. Hinzu kommt, dass durch das Lernen mit Smartphones vor allem das Interesse bezüglich des Physikunterrichts bei den Schülerinnen und Schülern geweckt wurde, die vor der Intervention eher wenig interessiert waren. Ein weiterer Effekt durch das Lernen mit den Beschleunigungssensoren von Smartphones betrifft die Neugier bezüglich der Inhalte der Experimente: Diese Neugier war in der Smartphone-Gruppe signifikant stärker ausgeprägt als in der Kontrollgruppe (d = 0,25). Dabei konnte kein Einfluss der experimentellen Vorerfahrung oder der fachlichen Vor- kenntnisse auf die Neugier festgestellt werden, es liegt also eine weitgehend vorausset- zungsfreie Förderung vor. Die Einstellung gegenüber Smartphones war bei den meisten Schülerinnen und Schülern eher positiv, unabhängig von ihrem Interesse am Physikunter- richt oder ihrem Selbstkonzept. Bei leistungsschwächeren Schülerinnen und Schülern war die positive Haltung gegenüber dem Einsatz von Smartphones im Unterricht sogar stärker ausgeprägt als bei leistungsstarken. Kognitive Vorteile durch das Lernen mit dem Beschleunigungssensor von Smartphones konnten nicht festgestellt werden. Es traten allerdings auch keine Nachteile auf: In beiden Gruppen gab es mittlere gewichtete Lernzuwächse (gSG = 0,38, gKG = 0,33) mit großen Effektstärken (dSG = 0,95, dKG = 1,09), wobei die Smartphone-Gruppe genau so gut ab- schnitt wie die Kontrollgruppe. Abgesehen von den Erkenntnissen bezüglich der Lerneffekte von Smartphones konnten die beiden neu erstellten Testinstrumente der primären Fragestellung übergeordnete Er- kenntnisse liefern: Der für die Hauptstudie entwickelte Konzepttest zur Periodizität mecha- nischer harmonischer Schwingungen liefert Hinweise auf bisher unbekannte Präkonzepte. So glaubten einige Schülerinnen und Schüler, dass ein kleiner Ortsfaktor die Bewegung eines Federpendels verlangsamen würde, was zu einer größeren Schwingungsdauer führ- te. Zum anderen bestand die intuitive Vorstellung, dass die Dämpfung eines Fadenpendels durch die Gravitationskraft verursacht würde, da diese das Pendel an den tiefsten Punkt seiner Bahn ziehe. Außerdem wurden in der vorliegenden Arbeit erste Schritte hin zu einem Testinstrument für das episodische Gedächtnis in instruktionalen Kontexten unternommen. Drei Itemformate stellten sich als geeignet für die Untersuchung heraus, unter anderem die Wiedererken- nung von Bildern beim Experimentieren verwendeter Gegenstände. Zum Zusammenhang zwischen dem episodischen Gedächtnis und dem Lernen ergaben sich erste Hinweise, die vielversprechende Ansätze für weitere Forschungen bieten.
  • Background and procedure: Smartphones offer various interesting possibilities for experiments with advantages over traditional set-ups: Such devices are equipped with different internal sensors, enabling the investigation of multiple physical phenomena with a single tool. With smartphones, it is possible to cover mechanics, acoustics, electromagnetism, optics and radioactivity. An ad- ditional benefit is that experiments can be done inside as well as outside of the classroom. Furthermore, nowadays practically every pupil possesses their own smartphone, which provides the opportunity to set experiments as homework as well. These advantages are well known in physics education research, for which numerous experimental concepts have already been published. In contrast to the development of experimental concepts, the empirical investigation of the learning effects of smartphones has hardly been considered in the literature, even though effects on motivation, curiosity and learning achievement can be expected on the basis of several theoretical frameworks (context-based science education, curiosity, cogni- tive load theory and cognitive-affective theory of learning with media). A stepwise explora- tion of the influences of using smartphones on learning, represented by affective and cogni- tive variables is therefore necessary. Hence, as a first step towards a comprehensive un- derstanding of the possibilities of promoting learning physics by using smartphones and their internal acceleration sensors, an investigation in a traditional learning situation with established experiments in the topic of mechanics was conducted. Even though the full potential of the devices cannot be fully explored by this procedure, it was chosen due to two reasons: First, learning outside of the classroom has to be prepared in class; second, measured variables can be controlled effectively and are less confounded. To investigate the learning effects of using smartphones’ acceleration sensors, a pilot study with 122 pupils was conducted. 245 pupils from 15 classes and courses from six schools (Gymnasium) in Rhineland-Palatinate, Germany participated in a subsequent main study. For both studies, experimental set-ups as well as appropriate instructional material were developed. The treatment group used smartphones as experimental tools; the control group did content-identical experiments with conventional equipment. Furthermore, various test instruments were constructed or adapted. Selected results: Besides known practical and experimental advantages of smartphones, results showed that using the devices’ acceleration sensors can be beneficial for learning. First, none of the often apprehended disadvantages of the use of modern communication technologies occurred. Pupils were not over-challenged by the application of media: The cognitive load perceived by pupils was not greater in the smartphone group than in the control group, and the cognitive load generated by the devices was perceived as rather small. The pupils’ learning achievement was independent of their prior experience with experiments or tech- nology, and a previously apprehended limitation of the positive effects of smartphones to specific groups of pupils was not found. A reason often given against using smartphones in school is that the devices distract too much from the instruction. No particularly big distrac- tion was observed to be caused by using smartphones in the intervention, and pupils in the smartphone group worked with as much concentration as pupils in the control group (who were also sometimes distracted by conversations and the like). Accordingly, no reduction of learning achievement in the smartphone group was found. In addition to the absence of apprehended disadvantages, explicit advantages of learning with smartphones’ acceleration sensors were revealed: Interest and engagement of the pupils in the smartphone group was significantly higher than in the control group (d = 0.40). Here, the observed group difference is so large that it can be assumed to be more than just a novelty effect. Furthermore, by learning with smartphones, the interest regarding physics classes of the pupils who showed rather little interest prior to the intervention was especial- ly augmented. Another effect of learning with smartphones’ acceleration sensors concerns the curiosity regarding the contents of the intervention. This curiosity was significantly more pro- nounced in the smartphone group than in the control group (d = 0.25). Indeed, no influence of the prior experience with experiments or the prior knowledge on curiosity was found; hence, this is a largely precondition-less promotion. The attitude towards smartphones was rather positive for most pupils, independent of the interest for physics classes or the self- concept. For low-achieving pupils, the positive attitude was even more pronounced that for high-achieving ones. Cognitive advantages of learning with smartphones’ acceleration sensors were not found. On the other hand, there were no disadvantages either: In both groups, moderate normal- ized learning gains (gSG = 0.38, gCG = 0.33) with large effect sizes (dSG = 0.95, dCG = 1.09) were found; the smartphone group performed as well as the control group. Apart from the results regarding the learning effects of smartphones, the two new test in- struments developed for this study provided insights superior to the primary question: The concept test about the periodicity of mechanical harmonic oscillations that was conceptual- ized for the main study provided evidence of as yet undocumented preconceptions. Some pupils believed that a smaller gravitational constant would slow down the movement of a pendulum, hence causing a longer period. Furthermore, there was the intuitive concept that the damping of an oscillation would be caused by the gravitational force, because it would pull the pendulum bob to the lowest point of its path. Moreover, the research also provides first steps toward a test instrument for episodic memory in instructional contexts. Three item formats proved to be appropriate for the in- vestigation, one of which was the recognition of pictures of objects which were used in the experiments. Regarding the connection of episodic memory and learning, the study yielded first leads, which provide very promising starting points for further investigations.
Metadaten
Verfasserangaben:Katrin Hochberg
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-44454
ISBN:978-3-8439-2723-9
Verlag:Dr. Hut
Verlagsort:München
Betreuer:Jochen Kuhn, Andreas Müller
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Deutsch
Veröffentlichungsdatum (online):08.09.2016
Jahr der Veröffentlichung:2016
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:26.02.2016
Datum der Publikation (Server):09.09.2016
Seitenzahl:XXVI, 565
Quelle:Verlag Dr. Hut, 2016
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Physik
DDC-Sachgruppen:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
Lizenz (Deutsch):Zweitveröffentlichung