Erweiterte Suche

Magnetismus hoch 4

Fachliche Strukturierung und Entwicklung multipler Repräsentationen zum Magnetismus für die Hochschule

Verstehen und Entwickeln bilden eine fachdidaktische Einheit: das Verstehen von Lernprozessen hilft uns, innovative Lernangebote zu entwickeln und an Rahmenbedingungen anzupassen. Die Erprobung und Analyse dieser Angebote kann wiederum zu erweiterten Erkenntnissen und einem tieferen Verstehen führen. Diese Schriftenreihe rückt daher beide Aspekte in den Fokus – mit dem Ziel, das zu fördern,was uns als Naturwissenschaftsdidaktikern am Herzen liegt: das Lernen in Naturwissenschaften!

Magnetische Phänomene sind die Grundlage für eine Vielzahl technologischer Anwendungen und deshalb für unseren Alltag hochrelevant. Auch in der schulischen und universitären Lehre wird das Themenfeld Magnetismus traditionell berücksichtigt. Trotz der unbestrittenen Bedeutung dieses Inhaltsbereiches, weist der aktuelle fachdidaktische Forschungsstand auf Defizite der existierenden Vermittlungsansätze hin.

Das Projekt Magnetismus hoch 4 strebt die Entwicklung eines neuartigen und anschlussfähigen Lehrkonzeptes zum Magnetismus an. Die Entwicklung des Lehrkonzeptes beinhaltet eine fachdidaktisch fundierte Sachstruktur, experimentelle Zugänge sowie digitale Medien und fokussiert in der vorliegenden Arbeit die Erscheinungsformen Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus als Lerninhalte der Hochschullehre. Im Sinne des Design-Based Research-Ansatzes erfolgt die konzeptionelle Erarbeitung des Designs zunächst auf Grundlage theoretischer und empirischer Befunde. Nachfolgend an die Entwicklungsarbeit sieht die Methode die praktische Erprobung der Inhalte mit ergänzenden empirischen Untersuchungen vor. Beide Phasen werden für das Projekt Magnetismus hoch 4 ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit dargestellt.

Titel: Magnetismus hoch 4
Untertitel: Fachliche Strukturierung und Entwicklung multipler Repräsentationen zum Magnetismus für die Hochschule
Verfasser: Laumann, Daniel GND
Dokumenttyp: Buch
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 21.11.2017
Publikation in MIAMI: 25.10.2018
Datum der letzten Änderung: 30.07.2019
Quelle: Laumann, Daniel: Magnetismus hoch 4. Fachliche Strukturierung und Entwicklung multipler Repräsentationen zum Magnetismus für die Hochschule. (Lernen in Naturwissenschaften ; Band 2) Berlin : Logos Verlag, 2017, ISBN 978-3-8325-4571-0, 626 S.
Verlag/Hrsg.: Logos Verlag Berlin GmbH
Schlagwörter: Magnetismus; Hochschuldidaktik
Fachgebiete: Physik
Lizenz: CC BY-NC-ND 4.0
Sprache: Deutsch
Förderung: Finanziert durch den Open-Access-Publikationsfonds 2017 der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU Münster).
Format: PDF-Dokument
ISBN: 978-3-8325-4571-0
URN: urn:nbn:de:hbz:6-27109579686
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-27109579686
DOI: 10.5281/zenodo.1069431
Onlinezugriff:
Inhalt:
1 Einleitung ..... 1
2 Inhaltliche Motivation und Ausgangslage ..... 7
2.1 Konzepte und Forschungsbefunde zur Vermittlung von Magnetismus ..... 8
2.1.1 Vermittlungskonzepte für Magnetismus in der schulischen und universitären Lehre ..... 11
2.1.1.1 Modelle, Repräsentanten und Visualisierungen ..... 13
2.1.1.2 Experimentelle Zugänge ..... 23
2.1.2 Empirische Befunde zum konzeptuellen Verständnis und mentalen Modellen von Lernenden ..... 26
2.1.2.1 Konzeptuelles Verständnis von Lernenden ..... 28
2.1.2.2 Vorstellungen von Lernenden und mentale Modelle ..... 31
2.2 Befragung von Lehrpersonen zur aktuellen Behandlung von Magnetismus ..... 34
2.2.1 Durchführung und Konzeption ..... 35
2.2.2 Auswertung, Ergebnisse und Diskussion ..... 38
2.3 Inhaltliche Legitimation und Motivation des Lehrkonzeptes ..... 52
3 Struktur und Zielsetzung des Forschungsprojektes ..... 59
3.1 Lernen mit multiplen Repräsentationen ..... 62
3.1.1 Enaktive, ikonische und symbolische Repräsentationsebenen ..... 67
3.1.2 Informationsspeicherung und -verarbeitung nach dem Multimedia-Prinzip ..... 69
3.1.3 Relevante Repräsentationsformen und zugehörige Interdependenzen ..... 75
3.2 Forschungsmethode Design-Based Research ..... 79
4 Sachstruktur und fachliche Klärung ..... 85
4.1 Makroskopische Beschreibung von Magnetismus ..... 89
4.1.1 Phänomenologische Beschreibung der Erscheinungsformen von Magnetismus in Materie ..... 89
4.1.2 Magnetische Suszeptibilität und relative magnetische Permeabilität ..... 97
4.1.3 Kenngrößen magnetischer Felder ..... 99
4.1.3.1 Verlauf magnetischer Feldlinien eines Stabmagneten ..... 102
4.1.3.2 Diskussion verschiedener Größen zur Beschreibung magnetischer Felder ..... 109
4.1.4 Magnetisierungsprozesse ..... 116
4.1.4.1 Dia- und paramagnetische Magnetisierungen ..... 117
4.1.4.2 Ferromagnetische Magnetisierungen und Modell der Weissschen Bezirke ..... 118
4.1.5 Magnetismus stationärer Ströme und bewegter Ladungen ..... 123
4.1.5.1 Elektromagnetismus zeitlich konstanter Felder ..... 124
4.1.5.2 Elektromagnetismus zeitlich veränderlicher Felde ..... 133
4.1.6 Zusammenfassung der makroskopischen Beschreibung von Magnetismus ..... 138
4.2 Mikroskopische Beschreibung von Magnetismus ..... 141
4.2.1 Klassische Beschreibung magnetischer Momente ..... 149
4.2.1.1 Magnetische Momente in der Newtonschen Mechanik ..... 150
4.2.1.2 Magnetische Momente in der Hamiltonschen Mechanik ..... 162
4.2.2 Skipping Orbits und das Bohr-van Leeuwen-Theorem ..... 164
4.2.3 Visuelle Repräsentationen quantenmechanischer Grundlagen ..... 169
4.2.3.1 Ortszustand von Elektronen ..... 171
4.2.3.2 Vektorpotential und Einfluss auf den Ortszustand von Elektronen ..... 180
4.2.3.3 Spinzustand von Elektronen ..... 192
4.2.3.4 Übergang von klassischer zu quantenmechanischer Beschreibung von Elektronenzuständen ..... 201
4.2.4 Beiträge zum magnetischen Moment ..... 209
4.2.4.1 Magnetisches Moment durch mikroskopische Ströme des Elektrons ..... 215
4.2.4.2 Magnetisches Moment durch mikroskopische Ströme des Atomkerns ..... 223
4.2.4.3 Magnetisches Moment des Elektronenspins ..... 224
4.2.4.4 Magnetisches Moment des Kernspins ..... 228
4.2.4.5 Vergleich und Zusammenfassung der Beiträge zum magnetischen Moment ..... 229
4.2.5 Atomarer und molekularer Magnetismus bei nicht-wechselwirkenden magnetischen Momenten ..... 235
4.2.5.1 Langevin-/Larmor-Diamagnetismus ..... 237
4.2.5.2 Langevin-Paramagnetismus ..... 244
4.2.5.3 Van Vleck-Paramagnetismus ..... 248
4.2.6 Magnetismus quasifreier Elektronen bei nicht-wechselwirkenden magnetischen Momenten ..... 249
4.2.6.1 Landau-Diamagnetismus ..... 254
4.2.6.2 Pauli-Paramagnetismus ..... 267
4.2.6.3 Vergleich magnetischer Erscheinungen quasifreier Elektronen ohne Wechselwirkung ..... 272
4.2.7 Ferromagnetismus als kollektives Phänomen ..... 274
4.2.8 Zusammenfassung der mikroskopischen Beschreibung von Magnetismus ..... 290
4.2.9 Magnetismus an den Grenzen der Physik ..... 294
4.2.9.1 Magnetische Phänomene in ultrastarken Magnetfeldern ..... 295
4.2.9.2 Temperaturabhängigkeit magnetischer Erscheinungen ..... 299
4.3 Übersicht und Zusammenfassung der Sachstruktur ..... 304
5 Experimentelle Zugänge ..... 309
5.1 Magnetisches Pendel ..... 314
5.1.1 Versuchsaufbau und Durchführung ..... 317
5.1.2 Messergebnisse und Diskussion ..... 320
5.2 Magnetische Torsionsdrehwaage ..... 324
5.2.1 Versuchsaufbau und Durchführung ..... 325
5.2.2 Messergebnisse und Diskussion ..... 329
5.3 Magnetismuswaage ..... 331
5.3.1 Theoretischer Hintergrund ..... 337
5.3.2 Versuchsaufbau und Durchführung ..... 343
5.3.2.1 Bestimmung des Massenunterschiedes ..... 347
5.3.2.2 Bestimmung der Probenabmessungen ..... 348
5.3.2.3 Bestimmung des Magnetfeldgradienten ..... 350
5.3.3 Messergebnisse und Diskussion ..... 358
5.3.3.1 Messergebnisse der Waage mit 0.01 g-Genauigkeit ..... 359
5.3.3.2 Messergebnisse der Waage mit 0.001 g-Genauigkeit ..... 361
5.3.3.3 Vergleichende Diskussion ..... 363
5.4 Magnetooptischer Kerr-Effekt ..... 368
5.4.1 Theoretischer Hintergrund ..... 371
5.4.2 Versuchsaufbau und Durchführung ..... 378
5.4.3 Messergebnisse und Diskussion ..... 384
6 Digitale Inhalte und multimediale Visualisierungen ..... 391
6.1 Einführender Kurzfilm und Projektteaser ..... 392
6.1.1 Planung und Konzeption ..... 392
6.1.2 Gestaltungselemente und Realisierung ..... 399
6.2 Interaktive Simulationen ..... 402
6.2.1 Interaktive Simulation I - Magnetismuswaage ..... 405
6.2.1.1 Entwicklungsprozess und Entscheidungsfindung ..... 407
6.2.1.2 Beschreibung und fachlicher Bezug ..... 411
6.2.1.3 Real:Digital ..... 415
6.2.2 Interaktive Simulation II - Magnetisierungskurven ..... 416
6.2.2.1 Entwicklungsprozess und Entscheidungsfindung ..... 417
6.2.2.2 Beschreibung und fachlicher Bezug ..... 419
6.2.2.3 Real:Digital ..... 422
6.2.3 Ausblick Projekt Real:Digital ..... 423
7 Praktische Erprobung der Projektinhalte und empirische Untersuchung ..... 427
7.1 Untersuchungsplan und inhaltliche Gestaltung der praktischen Erprobung ..... 429
7.2 Allgemeine Beurteilung zu Inhalten und Gestaltung der Praxisdurchführung ..... 434
7.3 Entwicklung des konzeptuellen Verständnisses von Magnetismus ..... 439
7.3.1 Beschreibung der Methoden und Durchführung ..... 440
7.3.1.1 Problemzentrierte Leitfadeninterviews ..... 441
7.3.1.2 Offene Items - Fragebogen ..... 449
7.3.2 Ergebnisse und Diskussion ..... 453
7.3.2.1 Offene Items - Fragebogen ..... 453
7.3.2.2 Problemzentrierte Leitfadeninterviews ..... 464
7.3.2.3 Zusammenfassende Diskussion zur Untersuchung des konzeptuellen Verständnisses ..... 474
7.4 Studierendeneinstellungen zum Projektteaser ..... 476
7.4.1 Beschreibung der Methoden und Durchführung ..... 476
7.4.2 Ergebnisse und Diskussion ..... 480
7.5 Studierendeneinstellungen zu interaktiven Simulationen ..... 487
7.5.1 Beschreibung der Methoden und Durchführung ..... 488
7.5.2 Ergebnisse und Diskussion ..... 491
8 Fazit und Ausblick ..... 497
Literaturverzeichnis ..... 505
Abbildungsverzeichnis ..... 553
Tabellenverzeichnis ..... 556
Anhang ..... 557
A.1 Übersicht Grunddaten empirische Untersuchungen ..... 559
B.1 Magnetische Anisotropie ..... 561
B.2 Theorie des Mikromagnetismus ..... 565
B.3 Feldlinienbilder bei Anziehung und Abstoßung zweier Permanentmagneten ..... 569
B.4 Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms ..... 572
B.5 Reelle Atomorbitale des Wasserstoffatoms ..... 573
B.6 Wahrscheinlichkeitsstromdichte im äußeren Magnetfeld ..... 574
B.7 Magnetische Suszeptibilität des Magnetismus quasifreier Elektronen ..... 576
C.1 Version A Fragebogen Lehrerbefragung ..... 579
C.2 Version B Fragebogen Lehrerbefragung ..... 582
D.1 Sprechertext zum einführenden Kurzfilm (deutsch) ..... 586
D.2 Sprechertext zum einführenden Kurzfilm (englisch) ..... 588
E.1 Materialien Praxisdurchführung ..... 590
E.2 Forscherbuch Praxisdurchführung ..... 591
F.1 Fragebogen FB1: Konzeptuelles Verständnis ..... 609
F.2 Fragebogen FB2: Projektteaser ..... 613
F.3 Fragebogen FB3: Widget Magnetisierungskurven ..... 615
F.4 Interviewleitfaden: Konzeptuelles Verständnis ..... 617
F.5 Codierleitfaden: Konzeptuelles Verständnis ..... 618
G.1 Ergebnisse geschlossene Items Einstellung der Studierenden (Projektteaser) ..... 621
G.2 Ergebnisse Befragung Multimedia Science Slam 2015 (Projektteaser) ..... 622
G.3 Ergebnisse geschlossene Items Einstellung der Studierenden (Widget) ..... 623
Danksagung ..... 625