André Bresges :Objektorientierte Modellbildung in der naturwissenschaftlichen und technischen BildungDissertation angenommen durch: Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik, 2002-10-22 BetreuerIn: Prof. Dr. rer.nat Horst Harreis , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik GutachterIn: Prof. Dr. rer. nat Horst Harreis , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik Schlüsselwörter in Deutsch: Modellbildung, Objektorientierung, Physikunterricht, Technikunterricht, Informatikunterricht, Mechanik |
|||||
| Klassifikation | |||||
|
MSC Primary: 65Z05 Applications to physics Schlagwortnormdatei: 21.1 Allgemeines, Mathematische Physik; 30 Informatik Neue Medien Sachgruppe der DNB: 22 Erziehung, Bildung, Unterricht Physics and Astronomy Classification Scheme (PACS): 01.50.Ht Instructional computer use ACM Computing Classification System: I.6.5 Model Development |
|||||
| Abstrakt | |||||
How do students create internal models when they learn about physics?This is long since a major topic in physics education. Since the importance (whilst not the principles) of internal modeling is commonly understood, a vastness of model creation tools for physics education exist. But modeling is a topic that runs way across the bounds of physics, and physics education, alone. In my work, I compared the modeling principles and modeling tools of physics and technology education and of computational science in their present form and in their development across the past decades. In accordance to its focus towards quantitative description of patterns in natural behavior, Physics science and Physics education covers a wide range of sophisticated models and modeling tools with aim towards mathematical description. This comes along with a renown competence in software modeling and simulation. Technical and engineering science use physical modeling as well; in addition, they face the challenge to describe huge technical systems in a commonly understandable fashion, e.g. to forster the cooperative work of teams or specialists with different background on the same project. Thus, technical science has developed normative rules for model generation and graphical description, e.g. in the Norm VDI 2222. Perhaps the most dynamic development of modeling techniques and modeling tools took place in computer science. I found a fasttrack development of modeling techniques rising from early control flow diagrams up to modern object-oriented modeling techniques using a normed and well defined Unified Modeling Language, UML. My approach was to tailor the modeling tools and principles of technical and computer science for the use in physics and technology education, and in the important field of media design for this educational fields. Thus, I derived a simplified form of UML, called the didactical Unified Modeling Language dUML. Furthermore, I adopted the principle of object-oriented modeling and design for the use in physics and technology education. To test my approach, I prepared, guided and evaluated a group of five practival implementations:
Die Bildung interner Vorstellungsmodelle bei Schülern im Physikunterrichtist seit langem ein zentrales Thema der Physikdidaktik. Da die hohe Bedeutung der internen Modellbildung allgemein verstanden wird (was leider noch nicht für die eigentliche Funktionsweise der kognitiven Vorgänge gilt), existieren entsprechend viele Werkzeuge zur Unterstützung von Modellbildungsprozessen. Aber Modellbildung ist ein Thema, das in seiner Tragweite die Grenzen der Physik als Wissenschaft und ihre Didaktik überschreitet. In meiner Arbeit habe ich die Prinzipien der Modellbildung und die Modellbildungswerkzeuge von Physik, Technik und Informatik in ihrem gegenwärtigen Stand und in ihrer Entwicklungsgeschichte über die zurückliegenden Jahrzehnte verglichen. Gemäß ihrem Anspruch, quantitative Beschreibungen für Naturprozesse zu liefern, verfügt die Physik und ihre Didaktik über eine große Bandbreite anspruchsvoller Modelle und Modellierungswerkzeuge, die vor allem die mathematische Beschreibung abdecken. Dies ist verbunden mit einem hohen Kompetenzniveau bei der Erstellung von Softwaremodellen und Simulationen. Technik- und Ingenieurwissenschaften greifen ebenfalls auf die etablierten Modelle und Methoden der Naturwissenschaften zurück. Darüber hinaus stellen sie sich dem Anspruch, komplexe technische Systeme in einer Weise zu beschreiben, die so allgemeinverständlich ist, dass auch Spezialisten grundverschiedener Disziplinen sicher und zuverlässig in einem gemeinsamen Projekt zusammenarbeiten können. Vor diesem Hintergrund existieren in der Technikwissenschaft eine Reihe verbindlicher Normen für die Modellbildung und zeichnerische Darstellung, zum Beispiel die VDI-Norm 2222. Eine besonders dynamische Entwicklung von Modellbildungstechniken und Modellbildungswerkzeugen hat in der Informatik stattgefunden. Meine Literaturanalyse zeigt eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Modellbildungstechniken von den ursprünglichen Programmablaufplänen hin zu modernen objektorientierten Methoden, die eine genormte und präzise definierte Modellbildungssprache benutzen: die Unified Modeling Language UML. Mein Ansatz war es, die Modellbildungsmethoden der Technikwissenschaft und der Informatik für die Nutzung im Physik- und Technikunterricht zu adaptieren. Dazu entwickelte ich eine didaktisch reduzierte und vereinfachte Variante der UML, die ich als didactical Unified Modeling Language oder dUML bezeichne. Vor allem aber bemühte ich mich, das Prinzip der Objektorientierung aus der Informatik für den Gebrauch im Physik- und Technikunterricht anzupassen. Um meinen Ansatz unter verschiedenen Bedingungen zu überprüfen, habe ich eine Reihe von 5 praktischen Einsatzerprobungen geplant, durchgeführt und evaluiert:
|
|||||