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2021 | OriginalPaper | Chapter

5. Unterrichtskonzeptionen zur Numerischen Physik

Authors : Thomas Wilhelm, Horst Schecker

Published in: Unterrichtskonzeptionen für den Physikunterricht

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassungen

Im traditionellen Unterricht werden für numerische Verfahren eine Programmiersprache oder eine Tabellenkalkulation benutzt und die Grundidee der Methode der kleinen Schritte bzw. des Eulerverfahrens vermittelt. In physikdidaktischen Konzeptionen konzentriert man sich mit speziell für die Lehre entwickelten Modellbildungsprogrammen auf die Physik und nicht auf numerische Verfahren. Wird zur Eingabe eine graphische Oberfläche mit Flussdiagrammen genutzt, dann wird qualitativ deutlich, welche Größe aus welcher berechnet wird. Bei einer Modellbildung mit Animationen ist das Interpretieren von Graphen nicht nötig, da man die Animation beobachten kann und schneller sieht, ob das Modell noch korrigiert oder ergänzt werden muss. Schließlich gibt es Programme, die weniger Schritte erfordern und leichter zu bedienen sind, weil nur noch die Kräfte angegeben werden und man sich nicht darum kümmern muss, wie die Software aus der Beschleunigung die Geschwindigkeit und daraus den Ort berechnet.

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Footnotes
1
Wolter (1998).
 
2
Zang und Wilhelm (2013).
 
3
Ein noch besseres Verfahren ist das Heun-Verfahren, bei dem im Gegensatz zum Euler-Verfahren die Näherung nicht über ein Rechteck, sondern über ein Trapez erfolgt. Nicht mehr in der Schule erklärbar sind die verschiedenen Runge-Kutta-Verfahren. Das klassische Runge-Kutta-Verfahren ermittelt in jedem Schritt vier Hilfssteigungen und ist damit schon sehr kompliziert. Solche Näherungsverfahren können in der Schule nur als Black Box verwendet werden.
 
4
Beispiel: Hat man Kräfte, die eine Schwingung mit konstanter Amplitude erzeugen, berechnet das klassische Euler-Verfahren eine Schwingung mit zunehmender Amplitude, was physikalisch unsinnig ist.
 
5
Wilhelm (2000).
 
6
Schecker und Bethge (1991).
 
7
Lück und Wilhelm (2011).
 
8
Bei der Software Lagrange werden die Energien angegeben und die Software berechnet daraus Ort und Geschwindigkeit (Lück und Wilhelm 2011).
 
9
Wilhelm und Trefzger (2010).
 
10
Bork (1978).
 
11
MacDonald, Redish und Wilson (1988).
 
12
Eisberg (1978).
 
13
Bethge (1992).
 
14
Baker und Sugden (2003).
 
15
Arganbright (1984).
 
16
Laws (1991).
 
17
Zu beachten ist: Soll in jeder Zeile auf die gleiche Zelle einer Konstanten, z. B. die Zelle B3, zugegriffen werden (absoluter Zellbezug), muss in Excel der Bezug mit einem Dollarzeichen eingegeben werden, z. B. $B$3.
 
18
In Excel findet man dafür in der Menüleiste einen Button unter dem Reiter „Formeln“.
 
19
Ludwig und Wilhelm (2013).
 
20
Bei Calc heiß der entsprechende Button „benannte Bereiche“ im Menü „Tabelle“.
 
21
Redish und Wilson (1993).
 
22
Burke und Atherton (2017).
 
23
Benacka (2015a, 2015b); Benacka (2016).
 
24
Die grafische Repräsentation der Modellbausteine bezieht sich auf die Programme STELLA und Dynasys. In den Programmen Modus, Moebius oder Coach werden teilweise andere Symbole verwendet.
 
25
Ebenso kann man die Kraft als Änderungsrate wählen, die pro Zeitschritt den Impuls ändert.
 
26
Schecker (1998, 190 ff.).
 
27
Schecker und Gerdes (1998).
 
28
Forrester (1972); Arndt (2017).
 
29
für Windows und macOS; http://​www.​iseesystems.​com/​store/​education.​aspx; es gibt eine freie online-Version mit sehr beschränktem Modellumfang.
 
30
Für Windows; http://​www.​powersim.​com/​main/​products-services/​modeling-tools/​express/​; als Powersim Studio 10 Express mit eingeschränktem Modellumfang frei nutzbar.
 
31
Für Windows; http://​www.​hupfeld-software.​de/​dokuwiki/​doku.​php/​dynasys; Freeware; Dynasys wurde in den letzten Jahren nur noch sporadisch weiterentwickelt; Version 2.02 läuft unter Windows 10.
 
32
Für Windows und macOS; http://​cma-coach-6-lite.​software.​informer.​com; Coach 6 liegt dem Schulbuch Impulse Physik (Klett-Verlag) auf CD-ROM bei.
 
33
Kontoeröffnung über insightmaker.com; zur Modellierung mit Insight Maker siehe Schecker (2017).
 
34
Niedderer, Schecker und Bethge (1991).
 
35
Schecker et al. (1999).
 
36
Gerdes und Schecker (1999).
 
37
Hucke (1999); Sander, Schecker und Niedderer (2001).
 
39
Heuer (1996). Das Programm ist unter heutigen Betriebssystemen nicht mehr lauffähig.
 
40
Reusch, Gößwein und Heuer (2000).
 
41
Schönberger und Heuer (2002).
 
43
Scherer, Dubois und Sherwood (2000); Chabay und Sherwood (2008); Caballero et al. (2014), https://​vpython.​org/​.
 
45
Christian und Esquembre (2007).
 
46
Wilhelm (2005).
 
47
Caballero et al. (2014).
 
48
Aiken et al. (2012).
 
49
Caballero, Kohlmyer und Schatz (2012).
 
50
Irving, Obsniuk, und Cabllero (2017).
 
51
Thornton und Sokoloff (1997).
 
52
Adams et al. (2006).
 
53
Araujo, Veit und Moreira (2008).
 
54
Weber und Wilhelm (2018).
 
55
Tracker ist ein kostenloses Open-Source-Programm, das es für Windows, Mac und Linux gibt; downloadbar unter https://​physlets.​org/​tracker/​.
 
56
Kostenloses Programm für Windows, Mac und Linux, downloadbar unter https://​did-apps.​physik.​uni-wuerzburg.​de/​Newton-II.
 
57
Lück und Wilhelm (2011).
 
58
Vogt et al. (2018).
 
59
Weber und Wilhelm (2018).
 
60
Kostenloses Programm für Windows, Mac und Linux; downloadbar unter https://​did-apps.​physik.​uni-wuerzburg.​de/​Fluxion.
 
61
Wilhelm und Wenzel (2016).
 
62
Lück (2018).
 
63
Weber und Wilhelm (2019); Weber und Wilhelm (2020a).
 
64
Weber und Wilhelm (2020b).
 
Literature
Adams, W. K., Perkins, K. K., Podolefsky, N. S., Dubson, M., Finkelstein, N. D., & Wieman, C. E. (2006). New instrument for measuring student beliefs about physics and learning physics: The Colorado learning attitudes about science survey. Physical Review Special Topics – Physics Education Research, 2(1). https://​doi.​org/​10.​1103/​PhysRevSTPER.​2.​010101
Aiken, J., Caballero, M., Douglas, S., Burk, J., Scanlon, E., Thoms, B., & Schatz, M. (2012). Understanding student computational thinking with computational modeling. AIP Conference Proceedings, 1513, 46–49.ADS
Araujo, I., Veit, A., & Moreira, M. (2008). Physics students’ performance using computational modelling activities to improve kinematics graphs interpretation. Computers & Education, 50(4), 1128–1140.CrossRef
Arndt, H. (Hrsg.). (2017). Systemisches Denken im Fachunterricht. Erlangen: FAU University Press.
Arganbright, D. (1984). The electronic spreadsheet and mathematical algorithms. The College Mathematical Journal, 15, 148–157.CrossRef
Baker, J., & Sugden, S. (2003). Spreadsheets in education – The first 25 years. Spreadsheets in Education (eJSiE), 1(1), 18–43. Article 2.
Benacka, J. (2015a). Projectile general motion in a vacuum and a spreadsheet simulation. Physics Education, 50(1), 58–63.ADSCrossRef
Benacka, J. (2015b). Spreadsheet application showing the proper elevation angle, points of shot and impact of a projectile. Physics Education, 50(3), 342–347.ADSCrossRef
Benacka, J. (2016). Numerical modelling with spreadsheets as a means to promote STEM to high school students. Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education, 12(4), 947–964.CrossRef
Bethge, T. (1992). Mechanik in der Sekundarstufe II – Ein Kurskonzept unter Nutzung von Software-Werkzeugen. In K. H. Wiebel (Hrsg.), Zur Didaktik der Physik und Chemie, Probleme und Perspektiven, Vorträge auf der Tagung für Didaktik der Physik/Chemie in Hamburg (S. 152-154). GDCP, Leuchtturm-Verlag.
Bork, A. (1978). Computers as an aid to increasing physical intuition. American Journal of Physics, 26, 796–800.ADSCrossRef
Burke, C., & Atherton, T. (2017). Developing a project-based computational physics course grounded in expert practice. American Journal of Physics, 85, 301–310.ADSCrossRef
Caballero, M., Burk, J., Aiken, J., Thoms, B., Douglas, S., Scanlon, E., & Schatz, M. (2014). Integrating numerical computation into the modelling instruction curriculum. The Physics Teacher, 52(1), 38–42.ADSCrossRef
Caballero, M., Kohlmyer, M., & Schatz, M. (2012). Implementing and assessing computational modeling in introductory mechanics. Physics Revue Special Topics – Physics Education Research, 8, 020106.
Chabay, R., & Sherwood, B. (2008). Computational physics in the introductory calculus-based course. American Journal of Physics, 76, 307–313.ADSCrossRef
Christian, W., & Esquembre, F. (2007). Modelling physics with easy java simulations. The Physics Teacher, 45, 475–480.ADSCrossRef
Eisberg, R. (1978). Mathematische Physik für Benutzer programmierbarer Taschenrechner – Mit 16 Programmen, 29 Beispielen und 92 Aufgaben. München: Oldenbourg.
Forrester, J. W. (1972). Grundzüge einer Systemtheorie. Wiesbaden: Gabler.CrossRef
Gerdes, J., & Schecker, H. (1999). Der Force Concept Inventory. Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 52, 283–288.
Heuer, D. (1996). Konzepte für Systemsoftware zum Physikverstehen. Praxis der Naturwissenschaften – Physik, 45(4), 2–11.ADS
Hucke, L. (1999). Handlungsregulation und Wissenserwerb in traditionellen und computergestützten Experimenten des physikalischen Praktikums. Berlin: Logos.
Laws, P. (1991). Calculus-based physics without lectures. Physics Today, 44(12), 24–31.ADSCrossRef
Lück, S. (2018). System-Modellierung über Veränderungsgrößen mit Fluxion. Plus Lucis, 4, 32–35.
Lück, S., & Wilhelm, T. (2011). Modellierung physikalischer Vorgänge am Computer. Modellbildungssysteme als Unterstützung zum Verständnis physikalischer Strukturen. Unterricht Physik, 22(122), 26–31.
Ludwig, J., & Wilhelm, T. (2013). Mathematisches Modellieren mit Modellus 4. Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 62(2), 30–36.
MacDonald, W., Redish, E., & Wilson, J. (1988). The M.U.P.P.E.T manifest. Computer in Physics, 2, 23–30.ADSCrossRef
Niedderer, H., Schecker, H., & Bethge, T. (1991). Computereinsatz im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe – Abschlussbericht des Modellversuchs. Universität Bremen (4 Bände).
Redish, E., & Wilson, J. (1993). Student programming in the introductory physics course: M.U.P.P.E.T. American Journal of Physics, 61, 222–232.ADSCrossRef
Reusch, W., Gößwein, O., & Heuer, D. (2000). Grafisch unterstütztes Modellieren und Messen – VisEdit und PAKMA. Praxis der Naturwissenschaften – Physik, 49(6), 32–36.
Sander, F., Schecker, H., & Niedderer, H. (2001). Wirkungen des Einsatzes grafikorientierter Modellbildung im physikalischen Praktikum. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 7, 147–165.
Schecker, H., & Bethge, T. (1991). Fallschirmspringer und Meteore. Computer und Unterricht, 1(1), 29–34.
Schecker, H., & Gerdes, J. (1998). Interviews über Experimente zu Bewegungsvorgängen. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 4(3), 61–74.
Schecker, H., Klieme, E., Niedderer, H., Ebach, J., & Gerdes, J. (1999). Abschlussbericht zum DFG-Projekt „Physiklernen mit Modellbildungssystemen“. Förderung physikalischer Kompetenz und systemischen Denkens durch computergestützte Modellbildungssysteme. Universität Bremen.
Scherer, D., Dubois, P., & Sherwood, B. (2000). VPython: 3D interactive scientific graphics for students. Computing in Science & Engineering, 2(5), 56–62.ADSCrossRef
Schönberger, S., & Heuer, D. (2002). JPAKMA – plattformunabhängige Modellbildung. In V. Nordmeier (Hrsg.), Didaktik der Physik. Beiträge zur Frühjahrstagung der DPG Leipzig 2002, Berlin: Lehmanns.
Thornton, R. K., & Sokoloff, D. (1997). Assessing student learning of Newton’s laws: The force and motion conceptual evaluation and the evaluation of active learning laboratory and lecture curricula. American Journal of Physics, 66(4), 338–352.
Vogt, P., Fahsl, C., Wilhelm, T., & Kasper, L. (2018). Smartphone-Experimente und Modellbildung – eine gewinnbringende Verbindung für einen kontextorientierten Physikunterricht. Plus Lucis, 4, 26–31.
Weber, J., & Wilhelm, T. (2018). Vergleich von modellierten Daten mit Videoanalysedaten mit verschiedener Software. Plus Lucis, 4, 18–25.
Weber, J., & Wilhelm, T. (2020a). Eine vergleichende Untersuchung zur Newton’schen Mechanik. In S. Habig (Hrsg.), Naturwissenschaftliche Kompetenzen in der Gesellschaft von morgen, Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Wien 2019, Band 40 (S. 459–462).
Wilhelm, T. (2000). Der alte Fallkegel – modern behandelt. Praxis der Naturwissenschaften – Physik, 49(6), 28–31.
Wilhelm, T., & Wenzel, M. (2016). Moment mal … (30): EINE Kraft kann verformen? Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 65(7), 45–49.
Wolter, L. (1998). Einsatz von „Interactive Physics“ in der Lehre der Physik. Vorträge/physikertagung, Deutsche Physikalische Gesellschaft, Fachausschuss Didaktik der Physik, Tagung, 1997, 551–556.
Zang, M., & Wilhelm, T. (2013). Modellieren ohne Mathematik mit Algodoo. Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 62(2), 37–40.
Metadata
Title
Unterrichtskonzeptionen zur Numerischen Physik
Authors
Thomas Wilhelm
Horst Schecker
Copyright Year
2021
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Book
Unterrichtskonzeptionen für den Physikunterricht

Print ISBN: 978-3-662-63052-5

Electronic ISBN: 978-3-662-63053-2

Copyright Year: 2021

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-63053-2_5

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