Umwandlung von Physikaufgaben aus Hochschulaufnahmeprüfungen in Experimentierkästen
Ein neues Projekt zur Neugestaltung des Physikunterrichts an Gymnasien
Physikaufgaben in Hochschulaufnahmeprüfungen setzen oft eine abstrakte, „idealisierte Welt“ voraus – beispielsweise einen reibungsfreien Boden oder vernachlässigbaren Luftwiderstand –, die nur in Gedankenexperimenten existiert. Jeder, der Physik studiert hat, ist wahrscheinlich mindestens einmal mit solchen Annahmen in Konflikt geraten.
Projektmitglieder des Physics Exam Lab: Physics Exam Lab Series™. Von links: Ueno, Iwata, Kawasaki und Matsumoto von der Shimadzu Rika Corporation
Die Shimadzu Rika Corporation, die für den Bereich Physik- und Chemieunterricht der Shimadzu-Gruppe zuständig ist, hat in Zusammenarbeit mit der International Physics Olympiad 2023 Commemorative Association eine Initiative ins Leben gerufen, um Physikaufgaben aus vergangenen Hochschulaufnahmeprüfungen in Experimentierkästen umzuwandeln. Wir sprachen mit Mitarbeitern von Shimadzu Rika über das Projekt „Physics Exam Lab: Physics Exam Lab Series™“, das Schülerinnen und Schülern die Freude an der Physik vermitteln soll.
Gedankenexperimente im Klassenzimmer zum Leben erwecken
„Das Beantworten von Aufnahmeprüfungsfragen und das Durchführen von Experimenten haben sich im Unterricht zu zwei völlig getrennten Dingen entwickelt.“ Diese Sorge hören wir oft von Gymnasiallehrern. Gleichzeitig beinhalten die Aufnahmeprüfungen für Eliteuniversitäten und der Common Test for University Admissions (CTU) zunehmend Fragen, die auf Experimenten oder Beobachtungen basieren“, sagt Takashi Matsumoto, Leiter der Abteilung für Laborausrüstung bei Shimadzu Rika Corporation und Projektleiter.
Matsumotos Team war für die Herstellung von 450 Experimentierkästen für die Internationale Physik-Olympiade 2023 verantwortlich. Um dies zu erreichen, bewältigten sie verschiedene Herausforderungen – darunter Budgetbeschränkungen, die Sicherstellung gleichbleibender Qualität durch Massenproduktion und die Wahrung der Vertraulichkeit der Prüfungsfragen – und lieferten die Kästen erfolgreich aus. Internationale Teilnehmer lobten die Kästen und hoben deren außergewöhnlich hohe Qualität hervor.
Dies führte zu einer Einladung zur Mitarbeit im Physics Exam Lab, einem neuen Projekt, das hauptsächlich von Lehrkräften ins Leben gerufen wurde, die die Internationale Physikolympiade 2023 in Japan organisiert hatten. Diese Einladung markierte den Beginn der Entwicklung der Physics Exam Lab Series, die Aufnahmeprüfungsfragen in Experimentierkästen umwandelt.
Das Team entwickelt derzeit Experimentierkästen, die auf den folgenden drei Aufnahmeprüfungsfragen basieren.
- „Magnetzug durchfährt die Spule“ (Gemeinsamer Test 2022, Physikfrage 3)
- „Endgeschwindigkeit eines Aluminiumbechers“ (Gemeinsamer Test 2023, Physikfrage 2)
- „Trolley-Pendel-Aufsatz“ (Aufnahmeprüfung der Universität Tokio 2018, erste Runde, Physikfrage 1)
1. Magnetzug durch die Spule: Bewegte Magnete erzeugen Strom
Ueno, der Teamleiter für die Entwicklung
Ueno, der für die Entwicklung zuständige Teamleiter, erklärte: „Wir haben ein Set entwickelt, bei dem ein Magnet – der einen Zug symbolisiert – durch ein leitfähiges Rohr fährt. So können die Schüler sowohl Bewegungsänderungen als auch die elektromagnetische Induktion beobachten. Bei der elektromagnetischen Induktion wird eine Spannung erzeugt, wenn ein Magnet eine Spule durchläuft. Diese Spannung steigt mit der Geschwindigkeit, mit der sich der Magnet durch die Spule bewegt. Durch Ändern der Magnetausrichtung kehrt sich die Polarität der Spannung um. Die Schüler können außerdem beobachten, wie sich die Spannung ändert, wenn die Windungszahl der Spule variiert wird.“
Fotos von PC-Bildschirmen, die Spannungsänderungen aufgrund elektromagnetischer Induktion zeigen
Für das Experiment verwendeten sie die von der Shimadzu Rika Corporation entwickelte Spule. Diese Spule feierte kürzlich ihr zehnjähriges Marktjubiläum. Ein wesentliches Merkmal ist die stabile Wicklung, die eine zuverlässige Datenerfassung gewährleistet. Darüber hinaus ermöglicht eine einzelne Spule das Umschalten zwischen 600 und 300 Windungen für Experimente, sodass die Studierenden Wellenformänderungen unter verschiedenen Bedingungen vergleichen können.
Montagevideo für das Experiment „Magnetzug durch die Spule“ (vom YouTube-Kanal „Physics Exam Lab“), auf Japanisch
2. Videoanalyse-Gitterbildschirm zur Bestimmung der Endgeschwindigkeit eines Aluminiumbechers
Kawasaki, der den Bildschirm zur Videoanalyse entwickelt hat, sagte: „Dieses Set basiert auf Frage 2 des Physik-Tests 2023. In dieser Frage geht es um die Endgeschwindigkeit – den Punkt, an dem die Beschleunigung des fallenden Aluminiumbechers null wird. Bei der Durchführung von Experimenten zeichnen wir Videos auf und analysieren sie mithilfe einer App. Ich habe jedoch einen Bildschirm entwickelt, der diesen Prozess unterstützt. Die aufgedruckten Rasterlinien erleichtern die Analyse und ermöglichen es, die Veränderungen der Fallstrecke im Video besser zu erkennen. Als Material wurde knitterfreie Plane verwendet. Zusätzlich wird eine kostenlose Analyse-App, die im Browser genutzt werden kann, von einem Lehrer des Physik-Prüfungslabors entwickelt.“
Kawasaki erklärt die Verwendung des von ihr entwickelten Bildschirms.
Anleitungsvideo für das Experimentierset zum Fallen eines Aluminiumbechers (vom YouTube-Kanal „Physics Exam Lab“), auf Japanisch
3. Pendelaufsatz für einen Wagen, der auf einem reibungsfreien Boden schwingt.
Iwata, der den Trolley-Pendelaufsatz entwickelt hat, erklärte: „Dieses Set entspricht Aufgabe 1 im Fach Physik der ersten Runde der Aufnahmeprüfung 2018 an der Universität Tokio. In dieser Aufgabe wird die Gesamtbewegung eines Pendels untersucht, das an einer Säule auf einem Wagen auf einem horizontalen Boden aufgehängt ist, wobei Reibung zwischen Boden und Wagen vernachlässigt wird. Durch die Montage des Aufsatzes auf unserer Smart-Cart-Plattform haben wir die Bedingungen eines reibungsfreien Bodens angenähert. Wir haben es so gestaltet, dass die Studierenden die Aufgaben selbstständig durchdenken und die Ergebnisse überprüfen können. Wir haben besonderen Wert auf die praktische Anwendbarkeit im Unterricht gelegt und Funktionen wie verstellbare Schnurlängen und Winkelskalen integriert, um die Handhabung des Sets während des Unterrichts zu vereinfachen.“
Sie erklärte außerdem: „Die Schüler können visuell bestätigen, dass sich an der Pendelschnur ein Ruhepunkt bildet, der durch die kombinierte Bewegung des Wagens und des Pendels entsteht, genau wie es die Theorie vorhersagt.“
Experimentierkästen, die in Teamarbeit entwickelt wurden
Bei der Entwicklung der Bausätze übernimmt jedes Teammitglied die Verantwortung für ein bestimmtes Gerät, während das gesamte Team die Designprüfungen durchführt. Das Team berät sich außerdem mit Lehrkräften des Physiklabors und testet Prototypen mit Studierenden und Schülern, deren Feedback zur Optimierung des Designs einfließt.
Kommentar des Verantwortlichen der Shimadzu Rika Corporation
Als die Lehrer der Physikolympiade an uns herantraten, um die Fragen der Aufnahmeprüfung direkt in Experimentierkästen zu integrieren, dachte ich: „Das ist genau die Art von Arbeit, die Shimadzu Rika leisten sollte.“
Unser Ziel war es, die in den Prüfungsdiagrammen dargestellten „unmöglichen Apparaturen“ mithilfe vorhandener Geräte und innovativer Ansätze so originalgetreu wie möglich nachzubauen. Wenn die Studierenden die Prüfungsfrage mit dem durch das Experiment gewonnenen Verständnis erneut lesen, erschließt sich ihnen die Bedeutung der Formeln auf natürliche Weise. Studierende, die das Experiment vor der Beantwortung der Prüfungsfragen durchführen, erlangen mit größerer Wahrscheinlichkeit ein tieferes Verständnis und einen positiveren Eindruck von der Physik als diejenigen, die ausschließlich mit dem Lehrbuch arbeiten.
Bislang reichte die Zeit nach der Durchführung von Experimenten und der Auswertung der Ergebnisse oft nicht aus, um die entscheidenden Erkenntnisse zu überprüfen. Heute können hochpräzise Sensoren experimentelle Ergebnisse erfassen und in Daten umwandeln. Dadurch können wir Lehrmaterialien bereitstellen, die Studierenden helfen, die Ergebnisse effizienter zu analysieren und effektiver zu lernen.
Wir wären hocherfreut, wenn unsere Bausätze eine wichtige Lösung für Lehrkräfte darstellen könnten, die Schwierigkeiten haben, Zeit für Experimente zu finden. Vor allem hoffen wir, dass diese Bausätze Schülerinnen und Schüler dazu anregen, die Faszination der Physik zu entdecken.
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