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Von fremden Ländern und Menschen– Physik erobern und übersetzen als Aufgabe der Fachdidaktik SUSANNE HEINICKE, STFEAN HEUSLER 3. JULI 2014 INSTITUT FÜR DIDAKTIK DER PHYSIK UNIVERSITÄT MÜNSTER

Von fremden Ländern und Menschen– Physik erobern und ... · Animation und Storytelling J. Schwinger: “Only when the theory is finally frozen in the textbooks can one speak of

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Von fremden Ländern und Menschen– Physik erobern und übersetzen als Aufgabe

der Fachdidaktik

S U S A N N E H E I N I C K E , S T F E A N H E U S L E R

3 . J U L I 2 0 1 4

I N S T I T U T F Ü R D I D A K T I K D E R P H Y S I K

U N I V E R S I T Ä T M Ü N S T E R

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G E S C H I C H T E N D E R V E R F R E M D U N G

Von fremden Ländern und Menschen– Physik erobern und übersetzen als Aufgabe

der Fachdidaktik

Universität Kyoto, Japan (1995)

Sri Lanka (1999)

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Von fremden Ländern und Menschen– Physik erobern und übersetzen als Aufgabe

der Fachdidaktik

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Physik Lernende

Physik übersetzen

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Physik übersetzen

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Physik übersetzen

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Physik übersetzen

(1997) (1998) (1999)

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J. Schwinger: “Only when the theory is finally frozen in the textbooks can one speak of the ‘physicist‘s conception‘. At any interesting moment of the development of the theory, there are discordant viewpoints of individual physicists. “

Physik übersetzen

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Große Erzählungen zum Leben erwecken:

Animation und Storytelling

J. Schwinger: “Only when the theory is finally frozen in the textbooks can one speak of the ‘physicist‘s conception‘. At any interesting moment of the development of the theory, there are discordant viewpoints of individual physicists. “

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Große Erzählungen zum Leben erwecken:

Animation und Storytelling

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Große Erzählungen zum Leben erwecken:

Animation und Storytelling

Übersetzung bzw. Inszenierung der Buchvorlage als Animation

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Erste Versuche zur neuen Kombination von

Repräsentationsebenen

Physik-Lehrbuch als Ausgangspunkt für ein Storyboard?

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Erste Versuche zur neuen Kombination von

Repräsentationsebenen

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Physik übersetzen

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Physik übersetzen

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Langsames, aber stetiges Wachstum bei der „Übersetzung“

von Physik in neue Sprachebenen

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Langsames, aber stetiges Wachstum bei der „Übersetzung“

von Physik in neue Lehrmedien

„Unschärferelation & andere Kurzfilme“, Budget jeweils: 10-100 Euro (1998)

„QED“ Budget: ~20.000 Euro (2005)

„Quantendimensionen“ Budget: ~200.000 Euro (2010)

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Vergleich von Sprachebenen bei Musik und Physik

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Logogene Imagene

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Logogene Imagene

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Logogene

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Logogene

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Logogene Logogene

S. Weinberg: "...our mistake is not that we take our theories too seriously, but that we do not take them seriously enough. It is always hard to realize that these numbers and equations we play with at our desks have something to do with the real world..."

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Logogene Imagene

S. Weinberg: "...our mistake is not that we take our theories too seriously, but that we do not take them seriously enough. It is always hard to realize that these numbers and equations we play with at our desks have something to do with the real world..."

Wie mächtig ist eine „Bildersprache“ der Physik?

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Beispiel Alltagsphysik

Theorie Experiment

Foto: Joachim Schlichting

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Beispiel Alltagsphysik

Theorie Experiment

Jede Größe in der Theorie

(z.B. Einfallswinkel, Brechungsindex)

hat eine direkte Interpretation im Experiment.

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Quantenphysik

Theorie Experiment

Eindeutiger Zusammenhang

zwischen Parametern in Theorie

und Experiment bricht zusammen.

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Vier-Quadranten-Schema

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Wahrscheinlichkeitsverteilung

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Wahrscheinlichkeitsverteilung

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Wahrscheinlichkeitsverteilung

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Mathematische Visualisierung

Mathematische

Visualisierung

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Mathematische Visualisierung

Mathematische

Visualisierung

DVD-ROM

• Einfache, mathematisch

definierte Bildmotive

• kein Kontextbezug

• Minimale Interaktivität

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Mathematische Visualisierung

Mathematische

Visualisierung

Künstlerische

Inszenierung

DVD-ROM

• Einfache, mathematisch

definierte Bildmotive

• kein Kontextbezug

• Minimale Interaktivität

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Visualisieren und Inszenieren

Mathematische

Visualisierung

Künstlerische

Inszenierung

DVD-ROM

• Spielfilm

• Fernsehbeitrag

• Physik-Show

• Exponate

• Einfache, mathematisch

definierte Bildmotive

• kein Kontextbezug

• Minimale Interaktivität

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Visualisieren und Inszenieren

Mathematische

Visualisierung

Künstlerische

Inszenierung

DVD-ROM

• Spielfilm (Kino)

• Fernsehbeitrag

• Physik-Show

• Ausstellung

• Musical

• Einfache, mathematisch

definierte Bildmotive

• kein Kontextbezug

• Minimale Interaktivität

• Lerntheoretisch optimiert

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U2: Atom- und Molekülphysik

U3: Symmetrien & Elementarteilchen

U1: Optik & Quantenoptik

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Chladny‘sche Klangfiguren

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Implementierungen

Auswahlregeln

Molekülorbital- theorie

Atom- modelle

Perioden- system Chladny‘sche

Klangfiguren

Symmetrien & Elementarteilchen

Kugelflächenfunktionen

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Lehrbuch, z.B. zum freien Fall: Wissenschaftsfernsehen (zB WDR, Kopfball)

Übersetzungen: Vom Wagnis neuer Kooperationsformen zwischen Infotainment und Schulphysik

Fundierte Erklärungen, aber keine beeindruckenden Visualisierungen

Spektakuläre Inszenierung, aber wenig (Sende-)Zeit für fundierte Erklärungen

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Kombination von fundierten Erklärungen, Animationen und spektakulärer

Inszenierung für interaktives Lehrmedium

http://www.stefandenecke.de/leifi/

Ebene 1: Spektakuläre Inszenierung

Ebene 2: Animation

Ebene 3: (Schul-)Experiment & Theorie

Pilotprojekt: „Gravitation“

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Evaluation beim Wissenschaftsfernsehen?

Dirk Gion, Masterarbeit „Action in TV-Science transmedial recycled“, 2014

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Evaluation der DVD Quantendimensionen?

Bild der Wissenschaft Amazon

Teil 1 (2008-2010): Schultests mit 300 Schülern & kontinuierliche Diskussionen mit Physiklehren und Fachkollegen.

Teil 2 (aktuelle Produktion): Kontinuierliche Diskussionen mit Physiklehren und Fachkollegen, sowie qualitative Studien mit Schülern.

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Physik erobern

I S T E I N G U T E S

LEHRMEDIUM

A U C H E I N G U T E S

LERNMEDIUM?

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Physik Lernende Physik erobern

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Erobern: Physik aus Lernendensicht

Lernsituation Sri Lanka:

Die Lernenden begegnen dem (englischen) Fachinhalt aus der (mir) fremden Sprache und Kultur heraus.

beschränkte Lernmittel: Lernen mit Alltagsmaterialien und -kontexten

• Perspektive: aus Kindersicht mit Alltagsmaterialien die Welt (natur-) wissenschaftlich erobern

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Erobern : Physik aus Lernendensicht

LEHR-

LERN- Forschung

Zwei Perspektiven der Fachdidaktik:

1. Wie erkläre ich es? (Lehrperspektive)

2. Wie lerne ich es? (Lernperspektive)

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Physik erobern: Lerntheorien

Lernen als Aufnahme von Wissen: Man kann Informationen weitergeben und

aufnehmen.

Es kommt auf die richtige Aufbereitung und Darstellung an.

Wenn die Lernenden gut aufpassen, lernen sie auch.

Lernen als Konstruktion von Wissen: Wissen muss von den Lernenden

selbst konstruiert werden.

Wissen kann nur auf vorhandenes Wissen aufbauen.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Nuremberg_Funnel_-_ad_stamp_1910.jpg
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Physik erobern: Lerntheorien

Lernen als Konstruktion von Wissen: Wissen muss von den Lernenden

selbst konstruiert werden.

Wissen kann nur auf vorhandenes Wissen aufbauen.

Ausubel (1968, Educational Psychology: A Cognitive View):

„Der wichtigste Einzelfaktor, der das Lernen beeinflusst, ist, was der Schüler schon weiß.

Man berücksichtige dies und lehre entsprechend.“

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Physik erobern: Lerntheorien

Lernen als Konstruktion von Wissen: Wissen muss von den Lernenden

selbst konstruiert werden.

Wissen kann nur auf vorhandenes Wissen aufbauen.

Wortbedeutung „Lernen“:

Wortgruppe: „leisten“ –„einer Spur nachgehen“

Gotische Wurzel „lais“ – „ich weiß“

Indogermanische Wurzel „lis“ – „gehen“

Das Lernen wird auch der frühen Wortherkunft nach als ein Prozess verstanden.

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Lernprozesse

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Kernzerfall:

Ausbreitung von Radioaktivität:

Verstehen der Lernenden

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Kernzerfall:

Ausbreitung von Radioaktivität:

Verstehen der Lernenden

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Angebote der Lehrenden

Verstehen der Lernenden

Atommodelle in Schulbüchern

Historische Anordnung in Schulbüchern

(Hybrid-)Vorstellungen bei Lernenden

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Verstehen der Lernenden

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Fragen an die fachdidaktische Forschung:

Was lernen die Lernenden eigentlich?

Wie lernen die Lernenden eigentlich?

Zentrale Forschungsanliegen:

Erkenntniszuwachs

Realisierte Lernprozesse

Vorwissen der Lernenden

Fragen der Fachdidaktischen Forschung

„Schülervorstellungen“ Lernendenpotential

Pre-post-Test Leistungstests

z.B. Beobachtungen Interviews beim Experimentieren

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Realisierter Lernprozess auf Lernendenseite

e

Fachdidaktischer Forschungsbedarf:

• Welche Lernprozesse laufen (beim Experimentieren) ab?

• Wie können wir diese (inneren) Prozesse beobachtbar machen? Welche Hinweise lassen sich analysieren, um den gedanklichen Prozess zu rekonstruieren?

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Realisierter Lernprozess auf Lernendenseite

e

Fachdidaktischer Forschungsbedarf:

• Welche Lernprozesse laufen (beim Experimentieren) ab?

• Wie können wir diese (inneren) Prozesse beobachtbar machen? Welche Hinweise lassen sich analysieren, um den gedanklichen Prozess zu rekonstruieren?

• Welchen Einfluss hat das Experimentier- und Lernmaterial?

• Welchen Einfluss haben die sozialen Interaktionen in der Groß- und Kleingruppe?

• Welchen Einfluss haben Genderaspekte?

• Wie können wir diese Erkenntnisse nutzen, um die individuellen Lernprozesse bestmöglich zu unterstützen?

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Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

Didaktische Rekonstruktion des “Messfehlers”

- Umgang mit Messdaten

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Students can be enabled through laboratory experience

to apply the routines of error calculation.

Yet, they do not show

a deeper understanding

why and how they do what they do.

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

Séré et al. (1993); Allie, Buffler & Lubben (2008), Heinicke (2012)

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Umsetzung

Fachliche Klärung Lernendenpotential

(Physikunterricht, Praktikum…)

Vorwissen, Verständnisse, Verstehensschwierigkeiten

Schul-, Fachbücher & Fachliteratur

Ursachen u.a.: • Faustregeln • Anwendung ohne tieferes Verstehen • begriffliche und inhaltliche Verwirrung • Verstehensschwierigkeiten • mangelnde Verknüpfung

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Umsetzung

Fachliche Klärung Lernendenpotential

(Physikunterricht, Praktikum…)

Vorwissen, Verständnisse, Verstehensschwierigkeiten

Schul-, Fachbücher & Fachliteratur

Ursachen u.a.:

• fachliche Unstimmigkeiten

• begriffliche Inkonsistenzen • Black box • mangelnde Verknüpfung

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Umsetzung

Fachliche Klärung Lernendenpotential

(Physikunterricht, Praktikum…)

Vorwissen, Verständnisse, Verstehensschwierigkeiten

Schul-, Fachbücher & Fachliteratur

Ursachen u.a.:

• fachliche Unstimmigkeiten

• begriffliche Inkonsistenzen • Black box • mangelnde Verknüpfung

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

t in s

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Umsetzung

Fachliche Klärung Lernendenpotential

(Physikunterricht, Praktikum…)

Vorwissen, Verständnisse, Verstehensschwierigkeiten

Schul-, Fachbücher & Fachliteratur

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

Ursachen u.a.: • historischer Ansatz (Laplace, Gauss) viel komplexer • im 19.Jahrhundert zunehmend vereinfacht und routinisiert • bestehende Verknüpfungen in der experimentellen Arbeit gehen verloren

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Umsetzung

Fachliche Klärung Lernendenpotential

(Physikunterricht, Praktikum…)

Vorwissen, Verständnisse, Verstehensschwierigkeiten

Schul-, Fachbücher & Fachliteratur

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

Genetisch – didaktische Rekonstruktion

Historische Klärung Originalquellen, Laboraufzeichnungen

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Umsetzung

Fachliche Klärung Lernendenpotential

Historische Klärung Vorwissen, Verständnisse, Verstehensschwierigkeiten

Schul-, Fachbücher & Fachliteratur

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

(Physikunterricht, Praktikum…)

Originalquellen, Laboraufzeichnungen

Genetisch – didaktische Rekonstruktion

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

Alternative Umsetzung:

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

Alternative Umsetzung:

pro

ba

bil

ity

values

?

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Beispiel Wahrscheinlichkeit, Evidenz und Messdaten

Forschungsprojekt: Aus Fehlern wird man klug

Alternative Umsetzung:

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Physik erobern – Forschung aus Sicht der Lernenden

Meine Forschung:

Fokus auf Perspektive der Lernenden

Verbunden mit fachlicher (und fachhistorischer) Perspektive

Multimethodische Herangehensweise

Multiperspektivischer Ansatz

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Physik erobern und übersetzen

Physik Lernende

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Das Institut für Didaktik der Physik

Physik Lernende

Lehrinstitutionen

Gesellschaft

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Physik und Gesellschaft

Beispielprojekt Radioaktivität

und Kernphysik

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Physik und Gesellschaft:

Beispiel Radioaktivität und Kernphysik

Deutsche Schulbücher

DDR-Schulbuch von 1971, S.39.

BRD-Schulbuch von 1970, S.568.

… Dabei zeigte sich, welcher Verbrechen an der Menschheit der Kapitalismus fähig ist. Kaltblütig wurde der Abwurf der Atombombe auf die Bewohner der japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki befohlen …

… Daraus wird verständlich, dass man sich nach der Entdeckung der Kernspaltung intensiv um eine technische Nutzbarmachung dieser großen Energiequelle bemühte…

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Physik und Gesellschaft:

Beispiel Radioaktivität und Kernphysik

Deutsche Schulbücher

DDR-Schulbuch von 1989, S.143.

BRD-Schulbuch von 1990/2007, S.513.

(1) Werten Sie die Haltungen und Motive von Albert Einstein …

(2) Würdigen Sie die Wahrnehmung poli-tischer Verantwortung als Wissen-schaftler durch Frederic Joliot Curie.

Berechnen Sie mithilfe des Massendefektes die Bindungsenergie …

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Japanische Physik-Schulbücher VOR Fukushima-GAU

…und NACH Fukushima-GAU

Physik und Gesellschaft:

Beispiel Radioaktivität und Kernphysik

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NACH Fukushima-GAU VOR Fukushima-GAU

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NACH Fukushima-GAU VOR Fukushima-GAU

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Untersuchung japanischer Schulbücher

NACH Fukushima-GAU VOR Fukushima-GAU

„Beim Betrieb eines AKWs sowie bei der Entsorgung radioaktiver Abfälle sind hohe Sicherheits-vorkehrungen notwendig.“

„Beim Betrieb eines AKWs entsteht radioaktiver Abfall, der eine sehr lange Zeit strahlt, bei dessen Entsorgung eine Vielzahl von Problemen zu lösen sind.“

Neuauflage desselben Buches: „…da alle Sicherheitsbemühungen übersteigende Unfälle geschehen, bleiben viele ungelöste Fragen…“

Möglichkeit einer Kernschmelze (GAU) wird nur in einem Buch erwähnt: „…ein GAU ist extrem unwahrscheinlich…, für den Fall bleiben ungelöste Fragen“

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Physik und Lehrinstitutionen: Kooperationen

Physik Lernende

Lehrinstitutionen

Gesellschaft

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Physik und Lehrinstitutionen: Kooperationen

Beispielprojekte:

Neue Medien

Lernchance Experimentieren

Radioaktivität, Kerne & Teilchen

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Projekte mit Schülern & Studenten zum Thema Neue Medien

Hittdorf-Gymnasium, Benno Haus, IDP

Jährliche Kinopräsentation von selbst entwickelten Lehrmedien von Schülern und Studenten aus Köln und Münster

2016: Exponatentwicklung für neue LWL- Sonderausstellung, zusammen mit FH Design

3D-Drucker: Regelmäßige Arbeiten mit Schülern und Studenten (IDP, MExLab Physik, Institut für Kernphysik)

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Lernchance Experimentieren

MExLab

kooperierende Schulen (bisher: Pascal Gymnasium, Gymnasium Paulinum, Wartburg-Grundschule)

weitere Schulen im Rahmen des Praxissemesters: Studierendenprojekte zum Forschenden Lernen

andere Fachdidaktiken (Doktorandenkolloquium)

angedacht: Fachtagung 2015

Themenheft Naturwissenschaft im Unterricht Physik „Experimentieren“ im Dezember 2014

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Radioaktivität, Kerne & Teilchen

Gemeinsame Workshop-Konzeption

Teilnehmende Schulen / Lehrkräfte

Institut für Kernphysik

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Vielen Dank!

Stefan Heusler . Susanne Heinicke . Institut für Didaktik der Physik . WWU Münster

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Danke an…

Prof. T. Kugo, Japan Prof. M. Schmidt, Heidelberg Prof. F. Haake, Essen Prof. J. Schlichting, Münster Michael Tewiele, Ratingen

Familie Heusler, Heidelberg Familie Lorke, Münster Annette Lorke, Münster

Falk Riess, Oldenburg Peter Heering, Flensburg Heidrun Heinke, Aachen

Andy Buffler, Kapstadt Fred Lubben, York

Dietmar Hoettecke, Hamburg Barbara Moschner, Oldenburg

Thomas Brücher, Wuppertal Familie Klose, Wuppertal

Familie Kiefer, Erkenschwick Ulf Truderung

Thomas, Finn, Amy, Helen Heinicke, Münster

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