Particle physics in high-school education

Teilchenphysik im Oberstufenunterricht

  • 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 finalElementary 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.show moreshow less
  • 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,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.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Anja Kranjc HorvatORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560260
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-56026
Subtitle (English):what should students and teachers learn?
Subtitle (German):was sollten Jugendliche und Lehrpersonen lernen?
Reviewer(s):Andreas BorowskiORCiDGND, Wouter van JoolingenORCiDGND, Amitabh BanerjiORCiDGND
Supervisor(s):Andreas Borowski
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Publication year:2022
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2022/06/27
Release date:2022/09/20
Tag:Lehrerfortbildung; Physik Lehramt; Teilchenphysik
high-school education; particle physics; physics education; teacher professional development
Number of pages:137
RVK - Regensburg classification:UB 4056, UB 4049, UO 1000
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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