Fachdidaktische Entwicklungsforschung am Beispiel Mechanik

Unterrichtsorientierte
physikdidaktische
Forschung
am Beispiel Mechanik
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Institut für Didaktik der Physik
Universität Frankfurt
Mainz
19.11.2015
Gliederung
1. Ein verändertes Unterrichtskonzept
2. Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt
3. Materialentwicklung: zwei Lehrerhandbücher
4. Videoanalyse mit „measure dynamics“
Thomas Wilhelm
Unterrichtsorientierte physikdidaktische Forschung am Beispiel Mechanik
19.11.2015
1. Ein verändertes
Unterrichtskonzept
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Institut für Didaktik der Physik
Universität Frankfurt
Mainz
19.11.2015
1.1 Grundideen des Konzeptes

Newtonsche Mechanik eines der schwierigsten
Inhaltsgebiete. Gründe:

Schülervorstellungen

Sachstruktur

Ungeeignete Darstellungen

Studien zeigen, selbst in der 11. Jgst. des G9 haben nur
wenige Schüler die Grundideen der Mechanik verstanden.

Physikdidaktiken München (Prof. Wiesner et al.), Wien
(Prof. Hopf) und Würzburg (Prof. Wilhelm) arbeiteten
zusammen:

Konzept und Materialien zur Einführung in die Mechanik

bekannte Sachstruktur weiterentwickelt
Thomas Wilhelm
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1.1 Grundideen des Konzeptes
Die zwei wesentlichen Unterschiede zum traditionellen
Mechanik-Unterricht:

Dynamik vor Statik (nach Reihenfolge und Gewichtung)




Kraft wird eingeführt über Bewegungsänderungen.
Nur als Spezialfall: Körper bleibt in Ruhe bei Kräftegleichgewicht.
Erst später: Zwei gegengleiche Kräfte an einem ausgedehnten
Körper können ihn verformen (→ Hooke‘sches Gesetz).
2-dim vor 1-dim Bewegungen (Reihenfolge und Gewichtung)



Von Anfang an allgemeine zweidimensionale Bewegungen
Betonung der Richtung aller Größen
Darstellung mit Pfeilen statt mit Diagrammen
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1.1 Grundideen des Konzeptes
Begründung:

In der Statik lernen die Schüler falsch:

Kräftegleichgewicht bedeutet Ruhe.

Ist eine Kraft größer, bewegt sich der Körper augenblicklich in
Richtung der größeren Kraft. Die Bewegung geht immer in
Kraftrichtung.

Kraft und Gegenkraft greifen am gleichen Körper an.

Wechselwirkungsprinzip wird nicht bedacht.

„Trägheit = am gleichen Körper angreifende Gegenkraft“ wird von
Statik unterstützt.

Die Dauer der Krafteinwirkung spielt keine Rolle.
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1.1 Grundideen des Konzeptes
Begründung:

Bei 1-dim Bewegungen lernen Schüler falsch:

Alle Größen sind skalare Größen (Zahlen).

Ort = Weg

Geschwindigkeit = Tempo

Beschleunigung = Schneller/langsamer werden

Für Kreisbewegung mit konstantem Tempo ist keine Kraft nötig.
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1.1 Grundideen des Konzeptes

In der Sek. I wird auf einiges verzichtet:









Keine Beschleunigung
Kein Impuls
Praktisch keine Rechenaufgaben
Keine Diagramminterpretation
Kein Spezialwissen, nur grundlegendes Verständnis
Zweites Newton‘sches Axiom (Newton‘sche Bewegungsgleichung)
nicht experimentell und induktiv herleiten, sondern mitteilen und
plausibel machen!
Zweites Newton‘sches Axiom (Newton‘sche
Bewegungsgleichung)


nur in der vereinfachten Produktform F  t  m  v
Kein Grenzübergang, d.h. nur Durchschnittswerte, keine
Momentanwerte
Kaum Behandlung von Kraftwandlern, erst bei Energie!
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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept

Beginn mit allgemeinen zweidimensionalen Bewegungen

Beschreibung einer Bewegung:
Um die Bewegung eines Gegenstands zu beschreiben,
muss zu bestimmten Zeitpunkten festgestellt werden, wo
sich der Gegenstand befindet.
Thomas Wilhelm
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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept

zurückgelegter Weg
s
Tempo
Tempo 
v
benötigte Zeit
t
(als Geschwindigkeitsbetrag)

Richtung (als augenblickliche
Bewegungsrichtung)

Geschwindigkeit:
Kombination von Tempo und Richtung

Geschwindigkeit wird mit Pfeil dargestellt
Hilfreich: Videoanalyse, die
Geschwindigkeitspfeile ins Video
zeichnen kann

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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept



v
Zusatzgeschwindigkeit
als eigenständige Größe
(als Elementarisierung der Beschleunigung)
Bitte anklicken!
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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept

Der zentrale Versuch mit Videoanalyse:
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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept





v
Die Zusatzgeschwindigkeit
ist
Folge einer Einwirkung.
Die Richtung der Einwirkung und die
Richtung der Zusatzgeschwindigkeit
sind gleich.

Die Zusatzgeschwindigkeit v wird
durch einen Pfeil dargestellt. Der


v
Pfeil von
zeigt von der Pfeilspitze


von v A zur Pfeilspitze von vE .
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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept

Simulation zum senkrechten Stoß als unabhängiges
Programm
www.thomas-wilhelm.net/simu_stoss.zip
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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept


Einwirkungsstärke und Einwirkungsrichtung werden
zusammengefasst „Kraft“ genannt.
Die Zusatzgeschwindigkeit ist umso größer,






je größer die Einwirkungsstärke ist,
je länger die Einwirkungsdauer ist,
je kleiner die Masse des Gegenstands ist.


F


t

m


v
Zusammengefasst:
Das ist eine elemantarisierte Form des zweiten
Newtonschen Axioms.
Die Produktform ermöglicht plausible Je-destoBeziehungen zu formulieren, die den Schülern kaum
Schwierigkeiten bereiten.
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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept

Es folgen:

Sehr viele Alltags-Anwendungen dieser Newtonschen
Bewegungsgleichung

Das Beharrungsprinzip als Spezialfall (= 1. Newtonsches Axiom)

Das Wechselwirkungsprinzip (= 3. Newtonsches Axiom)

Verschiedene Kraftarten

Kräfteaddition (aber keine Kräftezerlegung!)

Kräftegleichgewicht
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1.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept

Das Unterrichtskonzept ist ohne
Computereinsatz möglich.

Zur Veranschaulichung können
fertige Videos genutzt werden.

Eigene Messungen sind mit
einem Videoanalyseprogramm
möglich.
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1.3 Unterrichtsmaterialien
Neben der Simulation und den Videos gibt es als
Hilfen für Lehrkräfte drei Bücher:
1. Schülerbuch
2. Lehrerhandbuch I
3. Lehrerhandbuch II
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1.3 Unterrichtsmaterialien

Erstellt für Forschungsprojekt für 7. Jgst
in Bayern zu engem bayerischen
Lehrplan

Mit Experimenten und Aufgaben

Buch erhältlich als pdf unter:
www.thomas-wilhelm.net/2dd

Lehrer bekamen DVD mit
Unterrichtsmaterialien

Materialien z.T. downloadbar unter:
http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/
inhalt_materialien/mechanikkonzept/index.html
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2. Ergebnisse
aus einem
Forschungsprojekt
Kooperation mit:
Dr. Verena Tobias, LMU München
Dr. Christine Waltner, LMU München
Prof. Dr. Martin Hopf, Universität Wien
Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner, LMU München
Mainz
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2.1 Design der Studie

Ablauf der Studie:
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2.1 Design der Studie

Drei Teilstudien:
 Vorstudie:
14 Lehrkräfte erproben in 19 Klassen
(Raum Würzburg)
 Hauptstudie: 10 Lehrkräfte unterrichten in Kontroll- und
Treatmentgruppe (Raum München)
 Nachfolgestudie: 8 Lehrkräfte unterrichten in Kontrollund Treatmentgruppe (Raum München)

Forschungsmethoden:
 Quantitativ:
Verständnistest, fachspezifisches Selbstkonzept, Interesse am Physikunterricht, Selbstwirksamkeitserwartung (jeweils Prä – Post – FollowUp)
 Qualitativ: Lehrerinterviews, Schülerinterviews,
Videoanalyse einer ausgewählten Unterrichtsstunde
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2.1 Design der Studie

Hauptstudie:
 10
Lehrkräfte
 Unterricht

im Sommer 2008:
in 14 Klassen mit 358 Schüler nach dem traditionellen Konzept
(Kontrollgruppe 1)
 Unterricht
im Sommer 2009:

in 13 Klassen mit 367 Schüler nach dem zweidimensionaldynamischen Konzept (Treatmentgruppe 1)

keine Schulung der Lehrkräfte, nur Aushändigung der Materialien
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2.2 Qualitative Ergebnisse

Unterrichtstagebücher:



In Kontroll- und Treatmentgruppe: Unterricht an den jeweiligen
Lehrmitteln orientiert (gängige Bücher bzw. ausgehändigter
Lehrtext).
Materialbereitstellung ist ein effektives Mittel bei der
Implementation.
Schülerinterviews:


Die Beschreibung von Bewegungen durch den vektoriellen
Geschwindigkeitsbegriff mit den Aspekten Tempo und Richtung
bereitet den Lernenden keine Schwierigkeit.
Qualitativ von fast allen Lernenden verstanden:



Zusammenhänge von Kraft, Masse, Einwirkdauer und
Zusatzgeschwindigkeit
Beitrag von Anfangs- und Zusatzgeschwindigkeit zur
Endgeschwindigkeit
Quantitative Konstruktionen von Zusatz- und Endgeschwindigkeit
etwa durch die Hälfte der Lernenden anwendbar.
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2.3 Ergebnisse im Verständnistest


Drei Messzeitpunkte: Vortest, Nachtest, zeitverzögerter
Nachtest (drei Monate später)
Insgesamt 17 qualitative Verständnisaufgaben




Aufteilung:




von allen Lehrern als sinnvoll akzeptiert
bewährte Items aus anderen Studien, z.B. FCI
bayerische Vergleichswerte liegen vor (von Wilhelm)
13 Items, die zu jedem Unterrichtskonzept passen
2 Items zur neuen Sachstruktur nach zweidimensionaldynamischem Konzept
2 Items zur Beschleunigung (nur im Unterricht nach traditionellem
Konzept)
Im Vortest kein signifikanten Unterschiede zwischen
Kontroll- und Treatmentgruppe feststellbar.
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2.3 Ergebnisse im Verständnistest

2 Items zum zweidimensional-dynamischen Konzept:
Höchst signifikanter
Unterschied
mit großer
Effektstärke
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2.3 Ergebnisse im Verständnistest

2 Items zum traditionellen Konzept:
Kein signifikanter
Unterschied
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2.3 Ergebnisse im Verständnistest

13 Items zum Grundverständnis:
Höchst signifikanter
Unterschied
mit mittlerer
Effektstärke
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2.3 Ergebnisse im Verständnistest

Interaktionseffekt zwischen Gruppe und Geschlecht:

In Kontroll- und Treatmentgruppe sind die Jungen den Mädchen in
Vorwissen hoch bzw. höchst signifikant überlegen.

Unterschiede bleiben in der Kontrollgruppe bestehen oder wachsen.

In Treatmentgruppe nach Unterricht keine signifikanten
Unterschiede! Die Mädchen holen also auf!
Kontrollgruppe
Treatmentgruppe
Jungen Mädchen Signifik. Jungen Mädchen Signifik.
Vortest
3.18
2.68
**
3.13
2.53
***
Nachtest
4.62
3.94
**
5.57
5.18
n. s.
Zeitverzögerter
Nachtest
4.58
3.64
***
5.25
4.76
n. s.
Mittelwerte nach Geschlechtern (** hoch signifikant, *** höchstsignifikant)
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2.4 Nicht-kognitiven Merkmale

Itemspezifische Analyse zur
Selbstwirksamkeitserwartung:
 Die
Schülerinnen und Schüler der Treatmentgruppe
fühlen sich selbst kompetenter beim Einzeichnen einer
Kraft, beim Vorhersagen einer Bewegung, beim
Erklären einer Bewegung (höchst signifikant).
 Die
Schülerinnen und Schüler der Kontrollgruppe fühlen
sich dagegen selbst signifikant kompetenter beim
Rechnen und beim Diagramme lesen (beides keine
Lehrplaninhalte!)
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2.5 Lehrerakzeptanz


In Treatmentgruppe:

Alle 10 Lehrkräfte wollen auch zukünftig so unterrichten.

Einige Lehrkräfte fungierten als Multiplikatoren an ihren Schulen.
Beispielzitat:


„Mit der Newtonschen Bewegungsgleichung sind sie eigentlich ganz
gut umgegangen … da konnten sie Phänomene erklären … Also da
war ich echt erstaunt … sehr, sehr gut im Vergleich zu den Klassen
vorher … sogar so gut, dass ich das dann auch in der 10. Klasse mal
zerteilt habe - die Beschleunigung - … das hat auch denen geholfen
… Prima!“ (Lehrperson 5)
Lehrplan 2015: Das Konzept wird für alle bayerischen
Gymnasien verpflichtend vorgeschrieben!
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2.6 Verständnistest in einer Nachfolgestudie

Die Ergebnisse ließen sich in der Nachfolgestudie mit
5 neuen Lehrern reproduzieren!
13 Items zum Grundverständnis:
Gruppe:
Kontrollgruppe I
Treatmentgruppe I
Kontrollgruppe II
Treatmentgruppe II
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2.7 Preis

Forschungsarbeiten wurden mit Polytechnikpreis 2011 prämiert.
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2.8 Anderes Bundesland

Gruppe von hessischen Lehrkräften im Raum Frankfurt
hat das Konzept und die Materialien im Schuljahr 2012/13
getestet.

Ergebnisse zum Unterrichtskonzept:

Zustimmung zu den Grundideen,

tragfähiges Konzept,

leicht an individuelle Wünsche und Schwerpunkte anpassbar,
Raum für Individualität,

erweiterungsfähig,

in Hessen einsetzfähig,

reiche Auswahl an Materialien.

Lehrkräfte haben sich etwas mehr Zeit genommen.
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3. Materialentwicklung:
zwei Lehrerhandbücher
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Institut für Didaktik der Physik
Universität Frankfurt
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3.1 Lehrerhandbuch I
• Kernpunkte des erprobten
Unterrichtskonzeptes
• ausführliche Darstellung
• mit umfangreichen Unterrichtsmaterialien auf DVD
• Zweite Auflage abverkauft
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3.1 Lehrerhandbuch I
Gliederung:
1 Einführung des Themenbereichs Mechanik
2 Beschreibung von Bewegungen
3 Geschwindigkeit
4 Änderungen von Geschwindigkeiten –
die Zusatzgeschwindigkeit
5 Newtonsche Bewegungsgleichung,
(träge) Masse und Kraft
6 Vergleich von trägen Massen mithilfe
von Stoßversuchen
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Forschungsprojekt
Erweiterung
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3.1 Lehrerhandbuch I
• Beispiele für Videos und Videoanalysen auf der
DVD des Lehrerhandbuches I:
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3.2 Lehrerhandbuch II
• Fortsetzung vom Lehrerhandbuch I
• Erweiterung des ursprünglichen Konzeptes
• lehrplanunabhängig, ausführliche Darstellung
• Konzeptbeschreibung für die Sek. I
• mit sehr umfangreichen Unterrichtsmaterialien
auf DVD
• Titel:
WILHELM, T.; WIESNER, H.; HOPF, M.; RACHEL, A.: Mechanik II:
Dynamik, Erhaltungssätze, Kinematik
In: Reihe Unterricht Physik, Band 6, Aulis-Verlag
Thomas Wilhelm
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3.2 Lehrerhandbuch II
Gliederung:
1. Anwendungen der Newton‘schen Bewegungsgleichung
2. Das Beharrungsprinzip
3. Das Wechselwirkungsprinzip
4. Der Impulserhaltungssatz
Forschungs
-projekt
Erweiterung
5. Die Erdanziehungskraft
6. Dehnung und Hooke’sches Gesetz
7. Kräfteaddition und Kräftegleichgewicht
8. Reibungskräfte
9. Der Energieerhaltungssatz
10.Kinematik
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3.2 Lehrerhandbuch II

Beharrungsprinzip (1. Newton‘sches Axiom):
 Betonung: Ohne Krafteinwirkung behält ein Körper Tempo und
Richtung.
 Kein Behandeln von Trägheitskräften, sondern immer Beschreibung
aus der objektiven Sicht des außenstehenden Beobachters
 Deutlich machen: Dem mitbewegten Beobachter erscheint es anders.

Wechselwirkungsprinzip:
 Anwendung auf Fortbewegungen:
Auto, Flugzeug, Hubschrauber,
Sprinter, Raketen
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3.2 Lehrerhandbuch II

Impulserhaltungssatz:
 Abgeleitet aus dem Wechselwirkungsgesetz


𝐹1→2 = −𝐹2→1 mit Hilfe von F  t  m  v,
dann experimentelle Bestätigung.

Erdanziehungskraft:
 Auch konsequent ohne Beschleunigung behandelt

Hooke‘sches Gesetz:
 Greifen an einem Körper an verschiedenen
Punkten zwei gleich große, entgegengerichtete
Kräfte an, ändert sich seine Geschwindigkeit nicht,
aber er kann verformt werden.
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3.2 Lehrerhandbuch II

Kräfteaddition
 Es gibt keine Kräftezerlegung!
 Beispiel Hangabtriebskraft
 Hervorheben der Wirkungslinie
 Angriffspunkte nicht explizit
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3.2 Lehrerhandbuch II

Reibungskräfte
 Einführung als Tangentialkräfte
 Bedeutung der Haftkraft,
z.B. fürs Laufen
vE
FWT
FPN
vA
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FWN
FPT
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3.2 Lehrerhandbuch II

Der Energieerhaltungssatz
 Keine Einführung der Energie über die Arbeit
 Sondern erst Energieerhaltung, dann Arbeit
 Beginn mit der kinetischen Energie

Eindimensionale Kinematik
 An letzter Stelle nach Dynamik/Kräften/Erhaltungssätzen
 In Gleichungen und Diagrammen: Komponenten vx und ax
 Hier auch Unterrichtsvorschläge zur Beschleunigung
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3.3 Materialien
• Bei allen Themen stehen sehr viele Videos von
Bewegungen auf DVD zur Verfügung.
• Jeweils auf drei Arten zur Auswahl:
– Videos zur Bearbeitung in jedem Videoanalyseprogramm
– Videoanalyseprojekte für „measure dynamics“, bereits
analysiert mit vielen Einblendungen
– Mehrere exportierte Videos mit Einblendung
verschiedener physikalischer Größen
• Dabei Darstellung physikalischer Größen über
bewegte Pfeile und andere Einblendungen
(dynamisch ikonische Repräsentationen).
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3.3 Materialien
• Beispiel: Videos zur Erdanziehungskraft
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3.3 Materialien
• Beispiel: Videos zur Haftkraft
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3.3 Materialien
• Beispiel zur Kinematik
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4. Videoanalyse mit
„measure dynamics“
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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4.1 Was ist Videoanalyse?

Digitale Videos von Bewegungen heute problemlos möglich.

Videos enthalten Orts- und Zeitinformationen (Einzelbilder in
festen Zeitabständen).

Ist eine Referenzlänge bekannt, kann jeder Ort berechnet
werden.

Früher: Folie auf Fernsehbildschirm gelegt und mit Lineal
abgemessen.

Heute Computerprogramm, das die Berechnung und
Darstellung übernimmt (sehr unterschiedliche).

Ortsmessung durch Mausklick oder durch intelligentes
Programm.
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4.1 Was ist Videoanalyse?

Markieren des Ortes:
Bahnkurve:
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4.1 Was ist Videoanalyse?

Darstellung der Zentripetalbeschleunigung durch
Einblenden von Pfeilen:
Bild anklicken!
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4.1 Was ist Videoanalyse?

Videoanalyse von Bewegungen in Lehrplänen vorgesehen
(Bayern, Brandenburg, Hessen, Schleswig-Holstein)

Videoanalyse in vielen Schulbüchern beschrieben

Berührungsfreies Messwerterfassungssystem besonders
für den Mechanikunterricht.

Die meisten Programme lassen sehr zu wünschen übrig.

Wir haben „measure dynamics“ mit einer Vielzahl neuer
Möglichkeiten entwickelt.
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4.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Automatische Bewegungsanalyse
• Pucks auf Luftkissentischen
• Video mit über 2.000 Frames
• Fehlerfreie Analyse in 3 min
• Maxwellsche
Geschwindigkeitsverteilung
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4.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Automatische Bewegungsanalyse
• Pucks auf Luftkissentisch
• Video mit über 2.000 Frames
• Fehlerfreie Analyse in 3 min
• Maxwellsche
Geschwindigkeitsverteilung
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4.2 Videoanalyse mit measure dynamics
• Auswertung der Bewegungen von
bis zu zwölf Objekten bzw. Objektpunkten
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4.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Dynamisch ikonische Repräsentation:

Einblendung von Säulen und Pfeilen
für die physikalischen Größen,
angeheftet oder ortsfest.
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4.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Serienbilder


Für Schülerarbeitsblätter zum Ausmessen
Schmale Streifen als t-x-Diagramm
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4.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Serienbilder

Beispiel t-v-Diagramm:
Serienbild ortsfester Geschwindigkeitspfeile
bei einer Schwingung
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4.2 Videoanalyse mit measure dynamics

Einfaches Erstellen von Stroboskopbildern und
Stroboskopvideos aus jedem beliebigen Video
Normales Stroboskopbild
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Stroboskopbild abgeblendet
mit weiteren Einblendung
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4.3 Hochgeschwindigkeitsvideos


Beispiel: Fallende
Metallkugel trifft auf
Glasplatte
Verwendet: 100 fps
M. Michel & T. Wilhelm:
Dynamik mit Hochgeschwindigkeitsvideos
In: PdN-PhiS 59, Nr. 7, 2010, S. 23 - 30
Thomas Wilhelm
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4.3 Hochgeschwindigkeitsvideos

Beispiel: Durchfahren eines Loopings
Thomas Wilhelm
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Fazit



Zusammenfassung der Ideen:

In die Mechanik wird sinnvollerweise dynamisch und
zweidimensional eingeführt.

Die Videoanalyse erleichtert die Behandlung.
Zusammenfassung der Studie:

Signifikant mehr fachliches Verständnis in den Treatmentgruppen.

Überlegenheit der Jungen gegenüber Mädchen wird ausgeglichen.
Folgerungen für die Forschung:

Andere Sachstrukturen als die traditionellen können zu mehr
Verständnis bei Schülern führen. Dafür muss vieles berücksichtigt
werden.
Thomas Wilhelm
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Fazit




Beispiel für „fachdidaktische Entwicklungsforschung“ bzw.
„Design-Based Research“. Ähnlich: „partizipative
Aktionsforschung“ und „Modell der Didaktische
Rekonstruktion“
Ertrag: Entwicklungsprodukten (wie Schulbüchern, Unterrichtsmaterialien, Unterrichtsdesigns) und übertragbare
Erkenntnisse sowie empirische Forschungsergebnisse
Entwicklung und Forschung finden im Idealfall in Zyklen aus
Design, Umsetzung, Analyse und Re-Design statt.
Theoretische Überlegungen werden in die Entwicklung der
Lehr-Lernarrangements integriert und im Gegenzug explizite
Praxiserfahrungen in die Theorie.
Thomas Wilhelm
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19.11.2015
Vielen Dank für ihre
Aufmerksamkeit!
Mainz
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 Kontaktmöglichkeit:
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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Max-von-Laue-Str. 1
60438 Frankfurt am Main
E-Mail: [email protected]
Web: www.thomas-wilhelm.net
Thomas Wilhelm
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