Lehrstuhl für Didaktik der Physik
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Elektrische Schaltungen

Schematische Darstellungen elektrischer Schaltungen wie bspw. Schaltskizzen repräsentieren die Elemente der Schaltung und deren Relationen untereinander. Solche Darstellungen basieren auf grundlegenden physikalischen Konzepten. So gelten z.B auch in Schaltskizzen die Kirchhoffschen Regeln und die Maschenregel. 

Aus Studien zum Vergleich zwischen Experten und Novizen geht hervor, dass das Vorwissen des Betrachters einen großen Einfluss auf das Verstehen und Verwenden von schematischen Darstellungen hat. Erst durch die Verknüpfung zwischen dem schematischen Bild und den zugrunde liegenden Konzepten kann ein Betrachter dem Ganzen eine Bedeutung geben. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Lernende große Schwierigkeiten haben elektrische Schaltskizzen zu analysieren. 

Lernschwierigkeiten

Aus Forschungsergebnissen bekannt sind folgende Schwierigkeiten:

  • Interpretation der schematischen/symbolischen Darstellung von Schaltungsbauteilen 
  • Kennen und Anwenden von visuellen Konventionen / Regeln für die Interpretation der Schaltskizzen
  • Erkennen von Gruppierungen (z.B. Reihen- oder Parallelschaltung)
  • Erkennen von relevanten und irrelevanten Elementen
  • Erkennen von grundlegenden Konzepten
  • Übersetzen zwischen realistischen/fotografischen und abstrakten/symbolischen Darstellungen von Schaltungen.

(z.B. Fredette & Lochhead, 1980; Johsua, 1984; Petre & Green, 1993; Engelhardt & Beichner, 2004; Rosengrant et al., 2009; Johnson et al., 2014; Reisslein et al., 2015). 

Lehrreiche Hilfen für das Verstehen und den Umgang mit schematischen Darstellungen

Zahlreiche Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass verschiedene Techniken geeignet sind, um Lernende beim Umgang mit abstrakten Darstellungen zu unterstützen. Visuelle Hilfestellungen wie etwa Farbkodierungen, hervorhebende Kreise, hinweisende Pfeile, gezielte Farbwechsel, sequenzielle Einblendungen, hervorspringende Ereignissse (z.B. Pop-up-Fenster) oder Änderungen in der Helligkeit gelten als wirksam, um die Aufmerksamkeit eines Betrachters von komplexen Darstellungen zu lenken. Durch solche Hilfen können einige der oben genannten Lernschwierigkeiten effektiv reduziert werden. 

(z.B. Butcher, 2006; Jamet, Gavota & Quaireau, 2008; de Koning, Tabbers, Rikers & Paas, 2010; Boucheix & Lowe, 2010; Lowe & Boucheix, 2011; Madson, Larson, Rouinfar, Coy, Loschky & Rebello, 2012; Reisslein et al., 2015; Scheiter & Eitel, 2015).

Forschungslücke / Ziel der Studie 

Bisher konzentrierten sich die Forschungsbemühungen auf visuelle Hilfestellungen. Wenig erforscht ist, wie beispielsweise auditive Hilfestellungen geeignet sind, um die Aufmerksamkeit zu steuern. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Erforschung der Wirksamkeit von auditiven Hilfestellungen. Das vorrangige Ziel ist, die Wirksamkeit auditiver und visueller Hilfestellungen in Bezug auf die Aufmerksamkeitssteuerung und den Umgang mit komplexen Darstellungen miteinander zu vergleichen. 

Relevanz 

Im Physikunterricht können beim Lernen mit komplexen Darstellungen visuelle Hinweise nur mit multimedialer Unterstützung gegeben werden. Für hell-dunkel Kontrastwechsel oder hervorspringende Ereignisse wie Pop-up-Fenster bedarfs es bspw. einem PC und Beamer. An der Tafel können Farbkodierungen oftmals nur schlecht erkannt werden. Bei der Demonstration von Experimenten sind visuelle Hilfestellungen oft gar nicht einsetzbar. Aus diesen Gründen sind die Suche und Erforschung nach bzw. von alternativen Hilfestellungen für den Physikunterricht sinnvoll. 

Methodik - Versuchsplan und Hypothesen

In der Eye-Tracker-Studie wird der Einfluss von auditiven bzw. visuellen Hilfen (1. Faktor) und von viel bzw. wenig Expertise (2. Faktor) auf die visuelle Aufmerksamkeit in einem Labor-Experiment untersucht. Da beide Faktoren 2-fach gestuft sind, wird ein 2x2-faktorielles Design verwendet. Die Probanden werden per Zufall einer der Hilfe-Bedingungen (auditiv bzw. visuell) zugewiesen. Bezüglich der Expertise-Bedingung werden die Probanden anhand ihrer Angaben (Studiengang und Vorwissen) geschichtet. 

auditive Hilfenvisuelle Hilfen
Novizen Novizen*auditive Hilfen Novizen*visuelle Hilfen
Experten Experten*auditive Hilfen Experten*visuelle Hilfen

Die Hilfen beziehen sich auf insgesamt 8 Aufgaben zu elektrischen Schaltungen, die von allen Probanden am Computer bearbeitet werden (siehe Materialien).

  • Die operationale Hypothese zur Auswirkung von Hilfen auf die visuelle Aufmerksamkeit (1. Haupteffekt) lautet: "Die Probanden, die visuelle Hilfen erhalten, richten ihren Blick schneller auf relevante Bildschirmbereiche (AOIs) und betrachten diese länger als Probanden, die auditive Hinweise erhalten." Daraus abgeleitet folgt die statistische Nullhypothese: "Zwischen den Mittelwerten der Gruppe mit auditiven Hilfen und der Gruppe mit visuellen Hilfen besteht kein Unterschied hinsichtlich der Blickdauer auf relevante Bildschirmbereiche (AOIs) und der Zeit für das erste Auffinden von relevanten Bildschirmbereichen (AOIs)." Ebenso ergibt sich die statistische Alternativhypothese: "Die Mittelwerte der Gruppe mit visuellen Hilfen sind hinsichtlich der Blickdauer auf relevante Bildschirmbereiche (AOIs) höher und hinsichtlich der Zeit für das erste Auffinden von relevanten Bildschirmbereichen (AOIs) geringer als die Mittelwerte der Gruppe mit auditiven Hilfen."
  • Die Hypothese zur Auswirkung der Expertise auf die visuelle Aufmerksamkeit (2. Haupteffekt) lautet: "Experten finden relevante Bildschirmbereiche (AOIs) schneller als Novizen."
  • Die Hypothese zur Auswirkung von Hilfen in Abhängigkeit von der Expertise (Interaktionseffekt) lautet: "Die visuelle Aufmerksamkeit von Novizen wird durch visuelle Hilfen stärker erhöht als durch auditive Hilfen."

Methodik - Stichprobe

--in Bearbeitung --

Methodik - Materialien und Fragebögen

-- in Bearbeitung --

realitätsnahe Darstellung (Fotografie)

schaltung_f13b_fg

symbolische Darstellung (Schaltskizze)

1

schematische Darstellung (Steckbrett)

schaltung_f10d_fg

 

Verantwortlich für den Inhalt: Bianca Watzka, Christoph Hoyer