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Themenvorschläge für Bachelor- und Masterarbeiten

Foto: Patrick Enkrott

Bachelorthemen

 

Entwicklung und Evaluation eines Experiments zum Doppler-Effekt mit Smartphone und LEGO-Eisenbahn

Der Doppler-Effekt verknüpft die Inhaltsbereiche Mechanik und Akustik miteinander. Der Aufbau eines Experiments zur Messung des Doppler-Effekts erfordert ein Bauteil, mit dem sich eine gleichförmige Bewegung realisieren lässt, z.B. eine Luftkissenbahn, sowie möglichst präzise Messgeräte zur Frequenz- und Geschwindigkeitsmessung. Aufbauten von Lehrmittelherstellern sind meist sehr teuer und mit aufwendiger Messtechnik, z.B. Ultraschallwandler, Messverstärker etc. verbunden.

Im Praktikum wurde ein einfacher Aufbau zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Luft mit Lego-Eisenbahn und zwei Smartphones als Sender und Empfänger, bzw. Frequenzanalysator bereits getestet. Dieser Aufbau soll im Rahmen der Bachelorarbeit weiterentwickelt und optimiert werden. Für den Einsatz in Praktikum und in der Schule soll entsprechendes Material (Anleitung, Arbeitsblatt) entwickelt und mit Studierenden bzw. Schülern/Schülerinnen getestet und evaluiert werden.

 

Entwicklung und Evaluation eines geeigneten Experimentes zum Umgang mit Messunsicherheiten im Lehramtspraktikum

Der Umgang mit Messunsicherheiten ist in Schule und Hochschule ein sehr ungeliebtes Thema - zu Unrecht, da die Analyse von Unsicherheiten absolut notwendig ist, um Ergebnisse, Daten in Ausbildung und im Alltag bewerten zu können. Auf der Grundlage der GUM und der Arbeit von Prof. S. Heinicke werden im Praktikum Physikalische Schulexperimente die Grundlagen zu einem konstruktiven Umgang mit Messunsicherheiten gelehrt. Zur Vertiefung der Theorie soll im Anschluss daran die Anwendung in der Praxis geübt werden. Hier soll im Rahmen dieser Bachelorarbeit ein Experiment entwickelt werden, dass ergebnisoffen ist, d.h. es darf kein Zielwert wie z.B. bei der Bestimmung der Fallbeschleunigung existieren. Das Experiment soll von Studierenden getestet und evaluiert werden.

 

 

 

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 und evaluiert werden.

 

Galileis Fallschnur als Smartphone-Experiment - Weiterentwicklung und Evaluation des Experimentes zum Einsatz im Klassenraum

Bereits Galileo konnte die Bewegungsgesetze des freien Falls mithilfe einer Fallschnur zeigen. Die Gewichte an der Schnur können dabei in äquidistanten Abständen angebracht sein oder in Abständen die sich aus dem Weg-Zeit-Gesetz ergeben, so dass sich dementsprechend unterschiedliche akustische Signale ergeben.

Ist die Fallschnur lang genug und die Abstände zwischen den Gewichten nicht zu klein, so sind die Geräusche beim Auftreffen auf dem Boden mit dem Ohr gut hörbar. Bei einer kurzen Fallstrecke, z.B. nur von dem ausgetrecktem Arm, ist ein Unterschied nur schwer zu hören. Hier bietet sich an, die akustischen Signale zu visualisieren, z.B. mithilfe einer Smartphone- App oder geeigneter PC-Software. In dieser Arbeit soll das Fallschnur-Experiment für kurze Schnüre unter Einsatz des Smartphones optimiert werden, um die Gesetzmäßigkeiten des freien Falls abzuleiten. Experiment und Material, z.B. ein dazu konzipiertes Arbeitsblatt, sollen mit Schülern oder Studierenden getestet und evaluiert werden.

 

Looping leicht gemacht: Entwicklung und Evaluation einer funktionalen und preisgünstigen Loopingbahn zum Einsatz in Praktikum und Physikunterricht

Die Loopingbahn ist ein Gerät, mit dem viele physikalische Phänomene beobachtet und untersucht werden können und das zudem der Alltagswelt der Schüler*innen nicht fern ist. Umso verwunderlicher ist, dass Loopingbahnen als fertiges physikalisches Experiment nicht von den einschlägigen Lehrmittelherstellern angeboten werden. Der Selbstbau einer Loopingbahn klingt auch zunächst einfach, ist es aber nicht. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine funktionale und preisgünstige Loopingbahn konzipiert werden. Das Experiment und entsprechend dazu entwickeltes Material (Arbeitsblätter) sollen mit Schüler*innen und/oder Studierenden getestet und evaluiert werden.

 

 

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 entwickelt werden, die dann mithilfe von Schüler*innen und/oder Studierenden getestet und evaluiert wird.

Entwicklung und Evaluation eines Experimentes mit dem Brennstoffzellenfahrzeug zum Einsatz im Schülerlabor des HZB (Standort Wannsee)

Im Rahmen des Schülerprojekttages Solarenergie im HZB-Schülerlabor wird unter anderem auch das Thema Speicherung und Transport von Energie thematisiert. In diesem Zusammenhang soll für Schüler ab Klasse 9 der Experimentierkasten „Dr FuelCell Model Car“ von Heliocentris zum Einsatz kommen.

Ziel der Arbeit ist es, geeignete Experimente und Arbeitsblätter zu entwickeln, die die Schüler an das Thema Elektrolyse und Brennstoffzelle heranführen sowie diese Brennstoffzellenfahrzeuge in den Projekttag einbinden. Die Experimente sollen an die Gegebenheiten im Schülerlabor angepasst sein sowie mit Schülern im Schülerlabor getestet und evaluiert werden.

Entwicklung und Evaluation eines Experiments auf Basis eines myDAQs

Ziel ist es, ein Experiment zur beschleunigten Bewegung mit Hilfe eines an einem myDAQ angeschlossenem Ultraschallsensors* zu erstellen und mit Schülern zu evaluieren. Die Programmierung erfolgt dabei über LabVIEW. Da die Sensoransteuerung bereits implementiert ist, muss lediglich das Frontpanel passend aufbereitet werden und sinnvolle physikalische Auswertungen für die aufgenommenen Daten implementiert werden.
*Implementierung anderer Experimente auf Basis anderer Sensoren von Vernier sind auf Nachfrage möglich.

 


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.

Die Magnetkanone - Entwicklung und Evaluation von Vorversuchen zum Verständnis dieses auch als Gaußkanone bekannten Beschleunigers zum Einsatz im Schülerlabor des HZB (Standort Wannsee)

Im Rahmen des Schülerprojekttages Magnetismus im HZB-Schülerlabor (Standort Wannsee) soll ein Versuch, der magnetische und mechanische Phänomene miteinander verbindet für Schüler der Sekundarstufe I angeboten werden. Zum Einsatz soll eine vorhandene Magnet-Impulsbahn kommen. Vorversuche zur beschleunigten Bewegung, Energie- und Impulserhaltung sollen zum Verständnis der Wirkungsweise einer Magnetkanone beitragen und die Schüler an das Thema heranführen.

Ziel der Arbeit ist es, geeignete Versuche und Arbeitsblätter zu entwickeln. Die Experimente sollen an die Gegebenheiten im Schülerlabor angepasst sein sowie mit Schülern im Schülerlabor getestet und evaluiert werden.

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.

Die digitale Black-Box

Experimentieren mit dem Smartphone ist bereits im Physikunterricht teilweise etabliert. Eine Erweiterung des Repertoires stellen neue Bluetooth-Sensoren dar, z.B. der TI SimpleLink wireless Sensor Tag. Diese Sensoren sind deutlich kleiner als ein Smartphone, aber mit fast genauso vielen Sensoren ausgestattet, z.B. Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Magnetometer, Drucksensor, Temperatursensor, Feuchtigkeitssensor. Die Kommunikation mit dem Smartphone erfolgt über Bluetooth LE. In dieser Arbeit soll mithilfe der Sensoren eine neue Art von digitaler Black-Box erstellt werden, in der mithilfe des Sensors in verschiedenen Experimenten quer durch Mechanik, E-Lehre, Wärmelehre eine "Daten-Box" generiert wird. Aufgabe der Schüler*innen ist es dann, wie bei der herkömmlichen Black-Box, durch Testen von Fragestellungen und entsprechenden Hypothesen den "Weg" des Sensors durch verschiedene Experimente nachzustellen.

Das Lernmaterial zu dieser Aufgabe soll an Schüler*innen bzw. Studierenden im PSE 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.