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Themenvorschläge für Bachelor- und Masterarbeiten

Foto: Patrick Enkrott

Bachelorthemen

Entwicklung und Evaluation von Smartphone-Experimenten im Bereich Thermodynamik in extremen Druck- und Temperaturbereichen

"Baustellen-Smartphones" zeichnen sich durch eine extreme Funktionalität in punkto Sturz- und Stoßsicherheit, Wasserdichtigkeit und den Einsatz in einem Temperaturbereich zwischen -25°C und +55°C aus. Smartphone-Experimente für "normale" Smartphones gibt es bereits in einem breiten Spektrum. Im Rahmen dieser Arbeit sollen jedoch die oben genannten Eigenschaften für die Entwicklung neuer Experimente in extremeren Temperatur- und Druckbereichen, z.B. auch unter Wasser (Schwimmbad) genutzt werden.
Die entwickelten Experimente sollen mithilfe von Schüler*innen und/oder Studierenden getestet werden. Dabei soll als wissenschaftliche Fragestellung untersucht werden, inwiefern sich der Einsatz von Smartphones in "Extremsituationen" auf die aktuelle Motivation der Schüler*innen auswirkt.

Stoßprozesse in zwei Dimensionen mit dem Air-Fußball: Entwicklung und Evaluation einer Unterrichtssequenz

Air-Fußbälle sind diskusförmige Objekte, die mithilfe eines eingebauten Ventilators über dem Boden schweben und sich damit reibungsfrei bewegen können. Damit eignen sie sich hervorragend, um Stoßprozesse zu untersuchen. Mit zwei Air-Fußbällen können neben den herkömmlichen elastischen Stößen auch Stöße in zwei Dimensionen, sowie der Einfluss von Auftreffwinkeln untersucht werden. Eine größere Anzahl Air-Fußbälle würde es sogar erlauben, die Wechselwirkung von Teilchen im Teilchenmodell zu simulieren, was sonst nur mit einem Luftkissentisch möglich ist.
Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Unterrichtssequenz zu diesem Thema im Bereich Mechanik und/oder Wärmelehre entwickelt werden, die dann mithilfe von Schüler*innen und/oder Studierenden getestet wird.
Dabei soll auf der Fokus auf Lernzielen aus den Bereichen Erkenntnisgewinnung / Kommunikation/Bewertung gesetzt werden und das Erreichen dieser Lernziele nach der Einheit getestet werden.

Entwicklung und Evaluation einer Unterrichtseinheit zum Druck in Flüssigkeiten mithilfe von Bluetooth-Sensoren

Das Thema "Druck" ist für Schülerinnen und Schüler aufgrund der vielfältigen Präkonzepte aus dem Alltagsbezug ein schwieriges Gebiet. In der fachdidaktischen Forschung wurde für das Thema "Druck in Flüssigkeiten und Gasen" daher auf Grundlage der Aufbaustrategie zu Schülervorstellungen von R. Wodzinski eine Unterrichtseinheit entwickelt. Hier stehen kleine qualitative Experimente im Vordergrund, die den Begriff Druck als ein Maß für das "Gepreßtsein" einer Flüssigkeit oder eines Gases einführen. In dieser Arbeit soll auf Grundlage dieser Unterrichtseinheit eine Unterrichtssequenz zur Einführung des Drucks entwickelt werden, in der sinnvoll die Messung des Drucks auch quantitativ mithilfe eines Bluetooth-Sensors erfolgt.
Die entwickelte Unterrichtssequenz soll mithilfe von Schüler*innen und/oder Studierenden getestet werden. Dabei soll als wissenschaftliche Fragestellung untersucht werden, inwiefern es mithilfe der Sequenz möglich ist, bestehende Präkonzepte zum Druck zu verändern.

Sensor-Domino - Experimentelle Untersuchung der Theorie zum Fall von Domino-Steinen mit Bluetooth-Sensoren

Der Domino-Effekt beschreibt eine Abfolge von meist ähnlichen Ereignissen, bei denen jedes einzelne die Ursache des folgenden ist. Das Fallen von in einer Reihe aufgestellten Domino-Steinen kann mithilfe mathematischer Modelle auf der Grundlage der wirkenden Kräfte in Abhängigkeit von Parametern wie Größe und Gewicht der Dominosteine, Abstand usw. beschrieben werden. Die experimentelle Validierung der theoretischen Modelle erfolgte bisher mithilfe von Video- und Audioanalysen. In einer Pilotstudie zur Untersuchung des Falls von Smartphones wurde gezeigt, dass die Sensoren das Smartphones einen direkten Zugang zu den Messgrößen des Domino-Effekts ermöglichen. Erste spannende Ergebnisse kamen dabei durch den Vergleich von Theorie und Experiment zustande. Daran soll diese Bachelor-Arbeit anschließen, indem anstelle der Smartphones Bluetooth-Sensoren verwendet werden. Diese Sensoren sind  im Domino-Experiment vermutlich deutlich leichter zu handhaben und preiswerter, womit man die Anzahl der fallenden "Domino-Steine" erhöhen könnte. Die Arbeit wird in Zusammenarbeit mit Prof. Carsten Henkel betreut.

Masterthemen

Was macht einen guten Übungsleiter aus? Untersuchung von Zielen und Anforderungen im physikalischen Übungsbetrieb

Vorlesungsbegleitende Übungen sind ein wichtiger Bestandteil der Hochschullehre in vielen Fächern, insbesondere auch in Physik. Doch trotz wöchentlicher Übungszettel und der Besprechung der Übungsaufgaben ist der Lernerfolg der Studierenden zumeist begrenzt. Woran liegt das? Was sind eigentlich die Ziele der Übungen? Welche Anforderungen stellen die Lehrenden an einen Übungsgruppenleiter? Und was macht einen guten Übungsgruppenleiter aus? Diese komplexe Fragestellung soll in Teilaspekten in dieser Master-Arbeit untersucht werden. Dazu sollen Lehrende der Hauptfach-Veranstaltungen im Physik-Studium mithilfe von Interviews und Fragebögen zu Zielen und Anforderungen der Übungen befragt werden. Die Auswertung der Untersuchung soll die Grundlage einer Fortbildung für Übungsgruppenleiter bilden.

Blind spots im Fachwissen von Lehrkräften

Viele Inhalte des Schulstoffs werden in der universitären Lehre nicht explitzit behandelt, z.B. Atomkraftwerke, Brennstoffzelle, LED, usw. Insbesondere die technische Funktionsweise von Dingen ist nicht Bestandteil des Studiums. Trotzdem müssen Lehrkräfte diese Sachverhalte unterrichten und eignen sich das Wissen dazu oft mühsam und zeitaufwendig an. Könnten diese "blind spots" nicht eher als Lerngelegenheit dienen?
In dieser Arbeit sollen klassische "blind spots" operationalisiert werden, indem von Schulbüchern ausgehend geschaut wird, ob dazu auch Lerngelegenheiten in der Uni- Literatur gibt und wie dieses angewendet wird. Weiterhin soll für einen dieser blind spots ein Lernszenario in einer Veranstaltung des Physikstudiums entwickelt und an Studierenden getestet werden.

Die Rutschigkeit von Eis - aktuelle Forschung angewendet auf Unterricht

Eine Klage, die man häufig hört, ist dass aktuelle Forschung nicht im Physikunterricht ankommt. Hier soll im Rahmen dieser MA-Arbeit eine Unterrichtseinheit/Projekteinheit für das Schülerlabor entwickelt werden zu der Rutschigkeit von Eis auf der Grundlage eines aktuellen Papers über Messung des Reibungskoeffizienten und MD-Simulationen der Oberfläche von Eis bei verschiedenen Temperaturen. Hier bietet es sich neben dem Nachvollziehen der Messung des Reibungskoeffizienten an, Simulationen zur Kristallstruktur von Eis einzuführen und zu interpretieren. Die entwickelte Lernsequenz soll mit einer geeigneten Gruppe von Schüler*innen getestet und evaluiert werden.

Neuronale Netze lernen Physik!

Physiker trainieren mittlerweile Computer dazu, physikalische Konzepte aus physikalischen Problemen zu rekonstruieren. Beispielsweise wurde hierfür gezeigt, dass das heliozentrische Modell der Planetenbewegung aus Daten rekonstruiert werden. Diese Forschung kann für die Fachdidaktik Physik spannend sein, da so wichtige Prinzipien der Rekonstruktion von physikalischem Lernen abgeleitet werden können.
In der Masterarbeit geht es darum ein Verständnis für den Einsatz von Computern (insbesondere KI-Methoden wie neuronale Netze) zu entwickeln und an einem eigenen Problem anzuwenden. Darüber hinaus sollen Prinzipien des Lernens anhand dieser neuronalen Netze (die prinzipiell ähnlich wie das menschliche Denken funktionieren) zusammengefasst und diskutiert werden.
Wenn Sie Interesse an der Arbeit mit Computern und rudimentäre Kenntnisse im Programmieren haben sowie Interesse an der Arbeit des physikalischen Problemlösens haben, melden Sie sich sehr gerne bei Peter Wulff unter peter.wulff@uni-potsdam.de.