@phdthesis{KranjcHorvat2022,
  author    = {Kranjc Horvat, Anja},
  title     = {Particle physics in high-school education},
  doi       = {10.25932/publishup-56026},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560260},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {137},
  year      = {2022},
  abstract  = {Elementary particle physics is a contemporary topic in science that is slowly being integrated into high-school education. These new implementations are challenging teachers' professional knowledge worldwide. Therefore, physics education research is faced with two important questions, namely, how can particle physics be integrated in high-school physics curricula and how best to support teachers in enhancing their professional knowledge on particle physics. This doctoral research project set up to provide better guidelines for answering these two questions by conducting three studies on high-school particle physics education. First, an expert concept mapping study was conducted to elicit experts' expectations on what high-school students should learn about particle physics. Overall, 13 experts in particle physics, computing, and physics education participated in 9 concept mapping rounds. The broad knowledge base of the experts ensured that the final expert concept map covers all major particle physics aspects. Specifically, the final expert concept map includes 180 concepts and examples, connected with 266 links and crosslinks. Among them are also several links to students' prior knowledge in topics such as mechanics and thermodynamics. The high interconnectedness of the concepts shows possible opportunities for including particle physics as a context for other curricular topics. As such, the resulting expert concept map is showcased as a well-suited tool for teachers to scaffold their instructional practice. Second, a review of 27 high-school physics curricula was conducted. The review uncovered which concepts related to particle physics can be identified in most curricula. Each curriculum was reviewed by two reviewers that followed a codebook with 60 concepts related to particle physics. The analysis showed that most curricula mention cosmology, elementary particles, and charges, all of which are considered theoretical particle physics concepts. None of the experimental particle physics concepts appeared in more than half of the reviewed curricula. Additional analysis was done on two curricular subsets, namely curricula with and curricula without an explicit particle physics chapter. Curricula with an explicit particle physics chapter mention several additional explicit particle physics concepts, namely the Standard Model of particle physics, fundamental interactions, antimatter research, and particle accelerators. The latter is an example of experimental particle physics concepts. Additionally, the analysis revealed that, overall, most curricula include Nature of Science and history of physics, albeit both are typically used as context or as a tool for teaching, respectively. Third, a Delphi study was conducted to investigate stakeholders' expectations regarding what teachers should learn in particle physics professional development programmes. Over 100 stakeholders from 41 countries represented four stakeholder groups, namely physics education researchers, research scientists, government representatives, and high-school teachers. The study resulted in a ranked list of the 13 most important topics to be included in particle physics professional development programmes. The highest-ranked topics are cosmology, the Standard Model, and real-life applications of particle physics. All stakeholder groups agreed on the overall ranking of the topics. While the highest-ranked topics are again more theoretical, stakeholders also expect teachers to learn about experimental particle physics topics, which are ranked as medium importance topics. The three studies addressed two research aims of this doctoral project. The first research aim was to explore to what extent particle physics is featured in high-school physics curricula. The comparison of the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that curricula cover significantly less than what experts expect high-school students to learn about particle physics. For example, most curricula do not include concepts that could be classified as experimental particle physics. However, the strong connections between the different concept show that experimental particle physics can be used as context for theoretical particle physics concepts, Nature of Science, and other curricular topics. In doing so, particle physics can be introduced in classrooms even though it is not (yet) explicitly mentioned in the respective curriculum. The second research aim was to identify which aspects of content knowledge teachers are expected to learn about particle physics. The comparison of the Delphi study results to the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that stakeholders generally expect teachers to enhance their school knowledge as defined by the curricula. Furthermore, teachers are also expected to enhance their deeper school knowledge by learning how to connect concepts from their school knowledge to other concepts in particle physics and beyond. As such, professional development programmes that focus on enhancing teachers' school knowledge and deeper school knowledge best support teachers in building relevant context in their instruction. Overall, this doctoral research project reviewed the current state of high-school particle physics education and provided guidelines for future enhancements of the particle physics content in high-school student and teacher education. The outcomes of the project support further implementations of particle physics in high-school education both as explicit content and as context for other curricular topics. Furthermore, the mixed-methods approach and the outcomes of this research project lead to several implications for professional development programmes and science education research, that are discussed in the final chapters of this dissertation.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Enkrott2021,
  author    = {Enkrott, Patrick},
  title     = {Entwicklung des fachlichen Wissens angehender Physiklehrkr{\"a}fte},
  doi       = {10.25932/publishup-50040},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500402},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {126},
  year      = {2021},
  abstract  = {Das Professionswissen einer Lehrkraft gilt als Voraussetzung f{\"u}r erfolgreichen Unterricht. Trotz großer Unterschiede der Professionswissensmodelle ist die Forschung sich aus theoretischer Sicht weitestgehend einig dar{\"u}ber, dass das fachliche und fachdidaktische Wissen wichtige Bestandteile des Professionswissens und damit bedeutsam f{\"u}r Unterrichtserfolg sind. Zurecht gibt es daher die Forderung, dass Lehrkr{\"a}fte unter anderem ein ausgepr{\"a}gtes fachliches Wissen ben{\"o}tigen, das sie in den verschiedensten Situationen ihres Berufslebens, wie z.B. dem Erkl{\"a}ren von Konzepten und dem Planen von Unterricht einsetzen. Die Forschung untersucht aus diesem Grund schon seit {\"u}ber 30 Jahren die Bedeutung des Fachwissens einer Lehrkraft. Dabei werden die Betrachtungen des Fachwissens immer differenzierter. So hat sich in vielen Forschungsans{\"a}tzen der Physikdidaktik eine Dreiteilung des Fachwissens in schulisches Wissen, vertieftes Schulwissen und universit{\"a}res Wissen durchgesetzt. W{\"a}hrend das Schulwissen als jenes Wissen verstanden wird, das in der Schule gelehrt und gelernt wird, beschreibt die Facette des universit{\"a}ren Wissens die stark akademisch gepr{\"a}gte Wissensform, die zuk{\"u}nftige Physiklehrkr{\"a}fte in den Fachveranstaltungen an der Universit{\"a}t erwerben sollen. Das vertiefte Schulwissen ist hingegen eine spezielle Form des fachlichen Wissens, die aus Forschungssicht als besonders wichtig f{\"u}r Lehrkr{\"a}fte angenommen wird. Zusammengenommen sollen angehende Physiklehrkr{\"a}fte alle genannten Facetten des Fachwissens, also Schulwissen, vertieftes Schulwissen und universit{\"a}res Wissen, w{\"a}hrend des Lehramtsstudiums Physik erwerben. Neben dem fachlichen Wissen ben{\"o}tigt eine Lehrkraft als wichtigen Bestandteil des Professionswissens auch noch fachdidaktisches Wissen, welches ebenfalls w{\"a}hrend des Studiums erworben werden soll. Gleichzeitig geht man in der Forschung davon aus, dass f{\"u}r die Entwicklung des fachdidaktischen Wissens fachliches Wissen eine Grundvoraussetzung ist. Es ist jedoch empirisch nahezu ungekl{\"a}rt, wie sich das beschriebene Fachwissen und das fachdidaktische Wissen im Verlauf des Lehramtsstudiums Physik entwickeln oder wie sich diese Wissensformen gegenseitig beeinflussen. Dar{\"u}ber hinaus ist unklar, welche Herausforderungen sich aus der Leistungsheterogenit{\"a}t der Studienanf{\"a}nger:innen ergeben. Bisherige Untersuchungen aus der Studienerfolgsforschung legen nahe, dass besonders das Vorwissen prognostisch f{\"u}r Studienerfolg ist. Die vorliegende Arbeit untersucht daher zun{\"a}chst, wie sich das fachliche Wissen (Schulwissen, vertieftes Schulwissen, universit{\"a}res Wissen) von Lehrkr{\"a}ften im Verlauf des Bachelor- und Masterstudiums entwickelt. In einem n{\"a}chsten Schritt wurde untersucht, wie sich Studierende mit einem geringen, mittleren bzw. hohen Fachwissen zum Beginn des Studiums {\"u}ber das Bachelorstudium entwickeln. Dar{\"u}ber hinaus wurde die Entwicklung des fachdidaktischen Wissens betrachtet und Zusammenh{\"a}nge zum fachlichen Wissen in den Blick genommen. Durchgef{\"u}hrt wurde die vorliegende Studie im L{\"a}ngsschnitt im Verlauf von drei Jahren an 11 Hochschulen mit 145 Bachelorstudierenden und 73 Masterstudierenden. Die Bachelorstudierenden haben j{\"a}hrlich an einer Testung des fachlichen und fachdidaktischen Wissens teilgenommen. Die Masterstudierenden nahmen jeweils vor und nach einem einsemestrigen Schulpraktikum an den Erhebungen teil. Zur Testung wurde jeweils ein schriftliches Testinstrument verwendet. Das weiterentwickelte Fachwissensinstrument wurde zus{\"a}tzlich ausf{\"u}hrlichen Validierungsuntersuchungen unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Schulwissen, das vertiefte Schulwissen und das universit{\"a}re Wissen sowohl im Bachelor- als auch Masterstudium signifikant weiterentwickeln. Auch f{\"u}r das fachdidaktische Wissen k{\"o}nnen signifikante Zuw{\"a}chse {\"u}ber das Bachelor- und Masterstudium berichtet werden. Interessant ist dabei, dass eine starke Korrelation zwischen dem fachlichen Wissen zu Beginn des Studiums und dem Zuwachs des fachdidaktischen Wissens vom ersten zum dritten Semester erkennbar ist. Es liegen also erste Hinweise daf{\"u}r vor, dass - wie in der Forschung vermutet - das fachliche Wissen eine Voraussetzung f{\"u}r die Entwicklung von fachdidaktischem Wissen ist. Die angesprochene Leistungsheterogenit{\"a}t zu Beginn des Studiums stellt dabei jedoch ein Hindernis f{\"u}r die Entwicklung des fachlichen Wissens dar. So holt die Gruppe der zu Beginn schw{\"a}cheren Studierenden nicht einmal das Mittelfeld im Lauf des Studiums ein. Gleichzeitig ist zu beobachten, dass die Gruppe der st{\"a}rksten Studierenden im Vergleich zu den {\"u}brigen Studierenden vom ersten zum dritten Semester {\"u}berproportional dazulernt. Insgesamt bleibt das heterogene Leistungsbild im Verlauf des Studiums erhalten, was die Forderung nach Unterst{\"u}tzung f{\"u}r leistungsschw{\"a}chere Studierende gerade zu Beginn des Studiums betont. Wie sich innerhalb der vorliegenden Untersuchung zeigte, k{\"o}nnte insbesondere ein ausgepr{\"a}gtes mathematisches Vorwissen hilfreich sein, um fachliches Wissen zu entwickeln. Die bisher angebotenen Vorkurse scheinen dem Bedarf nicht gerecht zu werden und so k{\"o}nnte es lohnenswert sein, zus{\"a}tzliche Veranstaltungen auch in Bezug auf fachliches Wissen in der gesamten Studieneingangsphase anzubieten. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass insbesondere schw{\"a}chere Studierende von einer klaren Strukturierung innerhalb dieser zus{\"a}tzlichen Kurse profitieren k{\"o}nnten. Auch ein allgemeines Vorstudium k{\"o}nnte helfen, die Vorkenntnisse anzugleichen.},
  language  = {de}
}