TY  - THES
A1  - Enkrott, Patrick
T1  - Entwicklung des fachlichen Wissens angehender Physiklehrkräfte
T1  - Pre-service physics teachers’ development of content knowledge
N2  - Das Professionswissen einer Lehrkraft gilt als Voraussetzung für erfolgreichen Unterricht. Trotz großer Unterschiede der Professionswissensmodelle ist die Forschung sich aus theoretischer Sicht weitestgehend einig darüber, dass das fachliche und fachdidaktische Wissen wichtige Bestandteile des Professionswissens und damit bedeutsam für Unterrichtserfolg sind. Zurecht gibt es daher die Forderung, dass Lehrkräfte unter anderem ein ausgeprägtes fachliches Wissen benötigen, das sie in den verschiedensten Situationen ihres Berufslebens, wie z.B. dem Erklären von Konzepten und dem Planen von Unterricht einsetzen. Die Forschung untersucht aus diesem Grund schon seit über 30 Jahren die Bedeutung des Fachwissens einer Lehrkraft. Dabei werden die Betrachtungen des Fachwissens immer differenzierter. So hat sich in vielen Forschungsansätzen der Physikdidaktik eine Dreiteilung des Fachwissens in schulisches Wissen, vertieftes Schulwissen und universitäres Wissen durchgesetzt. Während das Schulwissen als jenes Wissen verstanden wird, das in der Schule gelehrt und gelernt wird, beschreibt die Facette des universitären Wissens die stark akademisch geprägte Wissensform, die zukünftige Physiklehrkräfte in den Fachveranstaltungen an der Universität erwerben sollen. Das vertiefte Schulwissen ist hingegen eine spezielle Form des fachlichen Wissens, die aus Forschungssicht als besonders wichtig für Lehrkräfte angenommen wird. Zusammengenommen sollen angehende Physiklehrkräfte alle genannten Facetten des Fachwissens, also Schulwissen, vertieftes Schulwissen und universitäres Wissen, während des Lehramtsstudiums Physik erwerben. Neben dem fachlichen Wissen benötigt eine Lehrkraft als wichtigen Bestandteil des Professionswissens auch noch fachdidaktisches Wissen, welches ebenfalls während des Studiums erworben werden soll. Gleichzeitig geht man in der Forschung davon aus, dass für die Entwicklung des fachdidaktischen Wissens fachliches Wissen eine Grundvoraussetzung ist. Es ist jedoch empirisch nahezu ungeklärt, wie sich das beschriebene Fachwissen und das fachdidaktische Wissen im Verlauf des Lehramtsstudiums Physik entwickeln oder wie sich diese Wissensformen gegenseitig beeinflussen. Darüber hinaus ist unklar, welche Herausforderungen sich aus der Leistungsheterogenität der Studienanfänger:innen ergeben. Bisherige Untersuchungen aus der Studienerfolgsforschung legen nahe, dass besonders das Vorwissen prognostisch für Studienerfolg ist. Die vorliegende Arbeit untersucht daher zunächst, wie sich das fachliche Wissen (Schulwissen, vertieftes Schulwissen, universitäres Wissen) von Lehrkräften im Verlauf des Bachelor- und Masterstudiums entwickelt. In einem nächsten Schritt wurde untersucht, wie sich Studierende mit einem geringen, mittleren bzw. hohen Fachwissen zum Beginn des Studiums über das Bachelorstudium entwickeln. Darüber hinaus wurde die Entwicklung des fachdidaktischen Wissens betrachtet und Zusammenhänge zum fachlichen Wissen in den Blick genommen. Durchgeführt wurde die vorliegende Studie im Längsschnitt im Verlauf von drei Jahren an 11 Hochschulen mit 145 Bachelorstudierenden und 73 Masterstudierenden. Die Bachelorstudierenden haben jährlich 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 zusätzlich ausführlichen Validierungsuntersuchungen unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Schulwissen, das vertiefte Schulwissen und das universitäre Wissen sowohl im Bachelor- als auch Masterstudium signifikant weiterentwickeln. Auch für das fachdidaktische Wissen können signifikante Zuwächse über 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 dafür vor, dass – wie in der Forschung vermutet – das fachliche Wissen eine Voraussetzung für die Entwicklung von fachdidaktischem Wissen ist. Die angesprochene Leistungsheterogenität zu Beginn des Studiums stellt dabei jedoch ein Hindernis für die Entwicklung des fachlichen Wissens dar. So holt die Gruppe der zu Beginn schwächeren Studierenden nicht einmal das Mittelfeld im Lauf des Studiums ein. Gleichzeitig ist zu beobachten, dass die Gruppe der stärksten Studierenden im Vergleich zu den übrigen Studierenden vom ersten zum dritten Semester überproportional dazulernt. Insgesamt bleibt das heterogene Leistungsbild im Verlauf des Studiums erhalten, was die Forderung nach Unterstützung für leistungsschwächere Studierende gerade zu Beginn des Studiums betont. Wie sich innerhalb der vorliegenden Untersuchung zeigte, könnte insbesondere ein ausgeprägtes mathematisches Vorwissen hilfreich sein, um fachliches Wissen zu entwickeln. Die bisher angebotenen Vorkurse scheinen dem Bedarf nicht gerecht zu werden und so könnte es lohnenswert sein, zusätzliche Veranstaltungen auch in Bezug auf fachliches Wissen in der gesamten Studieneingangsphase anzubieten. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass insbesondere schwächere Studierende von einer klaren Strukturierung innerhalb dieser zusätzlichen Kurse profitieren könnten. Auch ein allgemeines Vorstudium könnte helfen, die Vorkenntnisse anzugleichen.
N2  - A teacher’s professional knowledge is a prerequisite for successful teaching. Despite major differences in the models of professional knowledge, research agrees to a large extent from a theoretical perspective that content knowledge and pedagogical content knowledge is an important component of a teacher’s professional knowledge and thus essential for teaching successfully. There is a justified demand that teachers need, among other things, extensive content knowledge that they can use in various situations in their professional life, such as when explaining or planning lessons. This has generated over thirty years of research investigating the importance of a teacher's professional knowledge. 
In the process, the description of content knowledge has become increasingly differentiated. A three-way division of content knowledge into school knowledge, deeper school knowledge and university knowledge has become established in many research approaches to physics education/the teaching of physics. While school knowledge is understood as knowledge that is taught and learned in school, the concept of university knowledge describes the strongly academic form of knowledge that pre-service physics teachers should acquire in the course of university teacher training. Deeper school knowledge, on the other hand, is a special form of content knowledge that is assumed from a research perspective to be particularly important for teachers. Taken together, future physics teachers should acquire all the different types of knowledge mentioned above during their teacher training in physics. In addition to content knowledge, a teacher also needs pedagogical content knowledge as an important part of his or her professional knowledge, which should also be acquired during university teacher training. At the same time, research assumes that content knowledge is a basic requirement for the development of pedagogical content knowledge. 
There is, however, almost no empirical evidence for the development of this content knowledge or pedagogical content knowledge over the course of teacher training in physics, nor for the ways in which these forms of knowledge influence each other. Furthermore, it is unclear which challenges arise from the heterogeneity of performance exhibited by first-year students. Previous studies of student success suggest that previous knowledge is particularly prognostic for academic success. This study therefore first examines how teachers’ content knowledge (school knowledge, deeper school knowledge, university knowledge) develops over the course of bachelor’s and master's degrees. This study then investigates how students who start with low, medium, or high levels of content knowledge develop over the course of the bachelor's program. It also examines the development of pedagogical content knowledge and considers how this relates to content knowledge. 
This study was carried out in a longitudinal section over a period of three years at eleven universities with 145 bachelor's students and 73 master's students. The bachelor's students took part in an annual test of their content knowledge and pedagogical content knowledge. The master's students took part in the survey before and after a one semester internship at a school. A written test instrument was used for each survey. The refined test instrument for content knowledge was additionally subjected to extensive validation studies. 
The results show that school knowledge, deeper school knowledge and university knowledge are significantly developed in both the bachelor's and master's programs. Significant increases in pedagogical content knowledge can also be reported for the bachelor’s and master’s programmes. It is interesting to note that there is a strong correlation between content knowledge at the beginning of the programme and the increase in pedagogical content knowledge from the first to the third semester. Thus, there are initial indications that, as assumed in research, content knowledge is a prerequisite for the development of pedagogical knowledge. However, the heterogeneity of performance at the beginning of university teacher training is an obstacle to the development of content knowledge. The group of underperforming students failed to catch up with the midfield over the course of their degree. At the same time, it can be observed that the group of best-performing students learned disproportionately more from the first to the third semester compared to the other students. This heterogeneous performance pattern remains throughout the course of university teacher training in physics, which emphasises the need for support for underperforming students, especially at the beginning of their studies.
The study showed that deep mathematical knowledge could be particularly helpful in order to develop content knowledge. Yet the preliminary courses offered so far do not seem to meet demand; hence it could be worthwhile to offer additional courses that also build content knowledge during the entire introductory phase of university teacher training. Research results indicate that especially underperforming students could benefit from a clear structure within these additional courses. A general pre-study program could also help to align previous knowledge.
KW  - Fachwissen
KW  - Fachwissensentwicklung
KW  - vertieftes Schulwissen
KW  - Längschnitt
KW  - Physik Lehramt
KW  - Content Knowledge
KW  - Development of Content Knowledge
KW  - Deeper School Knowledge
KW  - Physics Education
KW  - Pre-Service
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500402
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kranjc Horvat, Anja
T1  - Particle physics in high-school education
T1  - Teilchenphysik im Oberstufenunterricht
BT  - what should students and teachers learn?
BT  - was sollten Jugendliche und Lehrpersonen lernen?
N2  - 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.
N2  - Elementarteilchenphysik ist ein aktuelles naturwissenschaftliches Thema, das langsam in den Oberstufenunterricht integriert wird. Diese neuen Umsetzungen stellen das Professionswissen der Lehrpersonen weltweit infrage. Die Fachdidaktik sieht sich daher mit zwei wichtigen Fragen beschäftigt: Wie kann die Teilchenphysik in die Oberstufenlehrpläne integriert werden und wie können Lehrpersonen am besten dabei unterstützt werden, ihr Professionswissen über Teilchenphysik zu erweitern? Im Rahmen dieses Promotionsprojekts wurden drei Studien zum Unterricht von Teilchenphysik in der Oberstufe durchgeführt, um bessere Leitlinien für die Beantwortung dieser beiden Fragen zu erarbeiten.
Zunächst wurde eine Concept-Mapping-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von ExpertInnen darüber zu ermitteln, was SchülerInnen der Oberstufe über Teilchenphysik lernen sollten. Insgesamt nahmen 13 ExpertInnen aus den Bereichen Teilchenphysik, Informatik und Physikdidaktik an 9 Concept-Mapping-Runden teil. Die breite Wissensbasis der Experten stellte sicher, dass die endgültige Expert Concept Map alle wichtigen Aspekte der Teilchenphysik umspannt. Die endgültige Expert Concept Map enthält 180 Konzepte und Beispiele, die mit 266 Verbindungen und Querverweisen verknüpft sind. Darunter befinden sich auch mehrere Bezüge zum Vorwissen der SchülerInnen in Themen wie Mechanik und Thermodynamik. Die starke Vernetzung der Konzepte zeigt, dass es möglich ist, die Teilchenphysik als Kontext für andere Lehrplanthemen zu nutzen. Die so entstandene Expert Concept Map wird als geeignetes Instrument für Lehrpersonen zur Unterstützung ihrer Unterrichtspraxis vorgestellt.
Zweitens wurde ein Vergleich von 27 Physiklehrplänen für die Oberstufe durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, welche Konzepte mit Bezug zur Teilchenphysik in den meisten Lehrplänen zu finden sind. Jeder Lehrplan wurde von zwei Gutachtern mittels einer Kodieranleitung mit 60 Konzepten zur Teilchenphysik analysiert. Die Lehrplananalyse ergab, dass in den meisten Lehrplänen Kosmologie, Elementarteilchen und Ladungen erwähnt werden, die alle als theoretische Konzepte der Teilchenphysik gelten. Keines der Konzepte der experimentellen Teilchenphysik kam in mehr als der Hälfte der untersuchten Lehrpläne vor. Eine zusätzliche Analyse wurde für zwei Untergruppen von Lehrplänen durchgeführt, nämlich Lehrpläne mit und Lehrpläne ohne ein explizites Teilchenphysik-Kapitel. In Lehrplänen mit einem expliziten Teilchenphysik-Kapitel werden mehrere zusätzliche Teilchenphysik-Konzepte erwähnt, nämlich das Standardmodell der Teilchenphysik, fundamentale Wechselwirkungen, Antimaterieforschung und Teilchenbeschleuniger. Letzteres ist ein Beispiel für Konzepte der experimentellen Teilchenphysik. Darüber hinaus ergab die Analyse, dass die meisten Lehrpläne Aspekte der Nature of Science und der Geschichte der Physik enthalten, obwohl beide typischerweise als Kontext bzw. als Hilfsmittel für den Unterricht verwendet werden.
Drittens wurde eine Delphi-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von Stakeholder in Bezug darauf zu untersuchen, was Lehrpersonen in Weiterbildungsprogrammen zur Teilchenphysik lernen sollten. Über 100 Stakeholder aus 41 Ländern vertraten vier Stakeholder-Gruppen, nämlich FachdidaktikerInnen, FachwissenschaftlerInnen, RegierungsvertreterInnen und Lehrpersonen. Das Ergebnis der Studie ist eine Rangliste der 13 wichtigsten Themen, die in Fortbildungsprogrammen für Teilchenphysik behandelt werden sollten. Die am höchsten bewerteten Themen waren Kosmologie, das Standardmodell der Teilchenphysik und Anwendungen der Teilchenphysik. Alle Stakeholder-Gruppen waren sich über die Gesamtwertung der Themen einig. Während die am höchsten bewerteten Themen wiederum eher theoretischer Natur waren, erwarten die Stakeholder auch, dass Lehrpersonen etwas über experimentelle Teilchenphysik Themen lernen, die mit mittlerer Bedeutung eingestuft wurden.
Mit den drei Studien wurden zwei Forschungsziele dieses Promotionsprojekts verfolgt. Das erste Forschungsziel bestand darin, zu untersuchen, inwiefern die Teilchenphysik in den Physiklehrplänen für die Oberstufe behandelt wird. Der Vergleich der Ergebnisse der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Lehrpläne deutlich weniger abdecken als das, was ExpertInnen von OberstufenschülerInnen über Teilchenphysik erwarten. Beispielsweise enthalten die meisten Lehrpläne keine Konzepte, die der experimentellen Teilchenphysik zugeordnet werden können. Die vielfältigen Verbindungen zwischen den verschiedenen Konzepten zeigen jedoch, dass die experimentelle Teilchenphysik als Kontext für Konzepte der theoretischen Teilchenphysik, Nature of Science und andere Lehrplanthemen verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die Teilchenphysik im Unterricht eingeführt werden, selbst wenn diese (noch) nicht explizit im jeweiligen Lehrplan erwähnt wird.
Das zweite Forschungsziel bestand darin, herauszufinden, welche Aspekte des Fachwissens Lehrpersonen über Teilchenphysik vermittelt werden sollen. Der Vergleich der Ergebnisse der Delphi-Studie mit den Resultaten der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Stakeholder im Allgemeinen erwarten, dass Lehrpersonen ihr Schulwissen im Sinne der Lehrpläne erweitern. Darüber hinaus wird von den Lehrpersonen erwartet, dass sie ihr Schulwissen vertiefen, indem sie lernen, wie sie Konzepte aus ihrem Schulwissen mit anderen Konzepten der Teilchenphysik verbinden können. Fortbildungsprogramme, die den Schwerpunkt auf die Verbesserung des Schulwissens und des vertieften Schulwissens der Lehrpersonen legen, unterstützen somit bestmöglich die Lehrpersonen beim Aufbau relevanter Zusammenhänge für ihren Unterricht.
Insgesamt wurde im Rahmen dieses Promotionsprojekts der aktuelle Stand des Teilchenphysikunterrichts in der Oberstufe untersucht und es wurden Leitlinien für die künftige Aufwertung teilchenphysikalischer Inhalte in der Ausbildung von Jugendlichen und Lehrpersonen erarbeitet. Die Ergebnisse des Projekts unterstützen die aktuelle Einführung der Teilchenphysik im Oberstufenunterricht sowohl als expliziten Inhalt als auch als Kontext für andere Lehrplanthemen. Darüber hinaus ergeben sich aus der Methodik und den Ergebnissen dieses Forschungsprojekts mehrere Implikationen für Weiterbildungsprogramme und für die Physikdidaktik, die in den letzten Kapiteln dieser Dissertation diskutiert werden.
KW  - physics education
KW  - particle physics
KW  - high-school education
KW  - teacher professional development
KW  - Physik Lehramt
KW  - Teilchenphysik
KW  - Lehrerfortbildung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560260
ER  -