Smartphone-Experimente als Übungsaufgaben: Entwicklung, Implementation und Evaluation im Kontext der Studieneingangsphase Physik
Smartphone experiments as recitation tasks: Development, implementation, and evaluation in the context of the physics study entry phase
von Simon Zacharias Lahme
Datum der mündl. Prüfung:2025-07-14
Erschienen:2025-12-02
Betreuer:Prof. Dr. Pascal Klein
Gutachter:Prof. Dr. Pascal Klein
Gutachter:Prof. Dr. Andreas Müller
Gutachter:Prof. Dr. Andreas Borowski
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http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11626
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Zusammenfassung
Englisch
Against the background of efforts to design a solid, effective, yet student-friendly introductory phase of physics study programs, there is particular interest in (i) how students can be supported in their learning, especially concerning affective responses, and (ii) how they experience the first year of study from their own perspective. Therefore, this thesis centers on how smartphones can be implemented as learning tasks in the physics study entry phase in an affectively beneficial way. The starting point is, on the one hand, the practical and technical potential of smartphones discussed in the literature to enable flexible, self-directed experimentation outside of laboratories, e.g., during self-study. From the perspective of theories of situated, context-based, and partly also project-oriented learning, this potential is also considered to have affective value. On the other hand, the literature reveals a gap between the number of ideas for smartphone experiments and their actual implementation and systematic evaluation in higher education. In three teaching projects at the local, national, and international levels, smartphone-based experimental tasks were developed, implemented, and evaluated for the physics study entry phase. In the project DigiPhysLab, 15 tasks were developed in collaboration with the Universities of Jyväskylä and Zagreb that are suitable for one to two lab days for both in-person and distance learning, such as during the COVID-19 pandemic. In the project Physik.SMART at RWTH Aachen University, nine shorter experimental tasks were developed for use as regular weekly recitation tasks in the Experimental Physics I course. In the project Innovation+, six tasks from DigiPhysLab were further developed into longer project tasks (undergraduate research projects), also to accompany Experimental Physics I. The tasks from DigiPhysLab and Innovation+ were published as Open Educational Resources in German, English, and partly also in Finnish and Croatian, to enable instructors to adapt and reuse them. The tasks from Physik.SMART and Innovation+ were implemented at RWTH Aachen University and the University of Göttingen, respectively, and evaluated regarding students’ perceptions of learning with the tasks (e.g., goal clarity, feasibility at home, and use of technologies) as well as their affective responses (e.g., curiosity, interest, reference to reality, disciplinary authenticity, and autonomy). The survey instruments were partly based on existing scales, including those by Klein (2016), and partly on instruments developed within the DigiPhysLab project. A scale analysis conducted in Physik.SMART yielded satisfactory scales for evaluating smartphone-based experimental tasks in higher physics education. Data collection was carried out over the course of the semester at both universities using comparable instruments. In Physik.SMART, all nine smartphone-based experimental tasks and three parallel programming tasks were evaluated through short surveys with up to 188 students. Two additional surveys with 108 and 78 students, respectively, compared the affective impacts of the experimental tasks with those of the programming tasks and standard recitation tasks. In Innovation+, five surveys were conducted over the course of the project, using varying scales and involving up to 125 students. The comparable evaluation approaches allow for a cautious cross-project comparison of the two implementation approaches. The evaluation results overall indicate a satisfactory students’ perception of learning with the experimental tasks in both approaches. Students mentioned both positive aspects, such as the ease of conducting physics experiments using a smartphone, and points of criticism, such as the workload and overall effort required by the project tasks. Regarding the affective impact, however, the results were more mixed. Students in Aachen rated the standard recitation tasks as equal to or better than the smartphone-based experimental tasks across the variables examined. These, in turn, were rated as equal to or better than the smartphone-based project tasks in Innovation+ in Göttingen. The programming tasks in Aachen received the lowest ratings among all task types examined. Given that most smartphone-based experimental tasks were used in teaching for the first time, the results can be considered cautiously optimistic, yet they also indicate that the affective potential of these tasks may have only been partially realized. Possible reasons range from the evaluation process (e.g., timing of data collection during the semester) to task design (particularly regarding openness and complexity), the specific implementation and circumstances of the course, and the students’ learning prerequisites. The development, implementation, and evaluation of the smartphone-based experimental tasks in this study were framed from both the instructors’ and students’ perspectives. From the instructors’ perspective, a framework of design principles for digitally aided experimental tasks was developed within the DigiPhysLab project, outlining the development process from target group characterization and learning objective formulation to task design, material development, and implementation, all while accounting for contextual circumstances. In addition, a study with 79 physics lab instructors in Germany, Finland, and Croatia examined the use of digital technologies in physics labs, as well as associated experiences, attitudes, and learning objectives. The results reveal widespread use of various digital technologies in physics labs, particularly smartphones and tablets during the COVID-19 pandemic, but also beyond that. In contrast to well-established learning objectives, such as acquiring experimental skills or linking theory and practice, learning goals related to digitalization are rated as less relevant. However, learning how to use technology for data collection and analysis is considered very important. Different technologies are perceived to offer specific potential for achieving the learning objectives of lab courses; for instance, smartphones and tablets are associated with promoting motivation and personal development, while microcontrollers are linked to acquiring experimental skills. From the students’ perspective, the project Belastungstrajektorie (trajectory of stress) investigated students’ stress perceptions as a central contextual variable of the physics study entry phase using the Perceived Stress Questionnaire (Fliege et al., 2001). The panel study, conducted over three semesters and two cohorts with a total of 67 measurement points and up to 128 participants, revealed a characteristic trajectory of stress during the first year of study. Starting from a low baseline level during the preparatory course and the first week of lectures, perceived stress increases within a few weeks to a higher level that remains relatively stable until after the exam period, before dropping back to a level partially below the initial baseline. Key sources of stress include weekly exercises, math courses, exams and exam preparation, as well as lab reports. This continuous monitoring of stress captures students’ affective perceptions of the study entry phase and thereby also describes the context of the reception of the smartphone-based experimental tasks. Overall, this work presents a proof of concept showing that smartphone experiments can be implemented in the first semester of physics studies, both as shorter exercises and as longer project tasks (undergraduate research projects). However, the intended affective impacts do not automatically emerge, and the complex context of the physics study entry phase must be considered when designing such innovative teaching and learning formats. Looking ahead, further development of the tasks and renewed evaluation in controlled comparative studies are recommended to investigate the effects of smartphone experiments in greater depth. At the same time, the findings encourage instructors and researchers to continue advancing the integration of smartphone experiments in higher education and to give greater consideration to students’ experiences during the physics study entry phase, ultimately addressing key challenges of high-quality, learner-centered instruction, improving student success, and reducing dropout rates.
Keywords: smartphone experiment; experimenting; study entry phase; higher education; stress; evaluation; technology-enhanced learning; task-based learning; undergraduate research projects
Deutsch
Vor dem Hintergrund der Bestrebungen zur Gestaltung einer fundierten, lernwirksamen, aber auch studierendenfreundlichen Studiengangsphase Physik ist es u. a. von großem Interesse, (i) wie Studierende in ihrem Lernen insbesondere auch affektiv unterstützt werden können und (ii) wie sie das erste Studienjahr aus eigener Perspektive erleben. Im Zentrum dieser Arbeit steht daher die Frage, wie Smartphones in den Kontext der Studieneingangsphase Physik als Übungsaufgaben affektiv förderlich implementiert werden können. Ausgangspunkt hierfür ist zum Einen das in der Literatur diskutierte praktisch-technische Potenzial, mithilfe von Smartphones ein flexibles, selbstgesteuertes Experimentieren außerhalb von Laboren etwa im Selbststudium zu ermöglichen. Diesem wird mit Blick auf Theorien des situierten und kontextbasierten, mitunter auch projektorientierten Lernens ein gewisses affektives Potenzial zugeschrieben. Zum anderen zeigt sich in der Literatur eine Diskrepanz zwischen der Breite an Ideen zu Smartphone-Experimenten und der bisherigen Implementation sowie systematischen Evaluation in der Hochschullehre. In drei Lehrprojekten auf lokaler, nationaler und internationaler Ebene wurden Smartphone-gestützte Experimentieraufgaben für die Studieneingangsphase Physik entwickelt, implementiert und evaluiert. Im Projekt DigiPhysLab entstanden gemeinsam mit den Universitäten in Jyväskylä und Zagreb 15 Aufgaben im Umfang von ein bis zwei Praktikumstagen, die für die Präsenz- und Distanzlehre z. B. in der COVID-19-Pandemie geeignet sind. Im Projekt Physik.SMART wurden an der RWTH Aachen University neun kürzere Experimentieraufgaben für den Einsatz als reguläre Übungsaufgaben in der Experimentalphysik I entwickelt. Im Projekt Innovation+ wurden sechs Aufgaben aus dem Projekt DigiPhysLab zu längeren Projektaufgaben ebenfalls begleitend zur Experimentalphysik I weiterentwickelt. Die Aufgaben aus DigiPhysLab und Innovation+ wurden als Open Educational Resources in Deutsch, Englisch sowie teils Finnisch und Kroatisch veröffentlicht, um Lehrenden deren Adaption und Nutzung zu ermöglichen. Die Aufgaben aus Physik.SMART und Innovation+ wurden an der RWTH Aachen University bzw. Universität Göttingen implementiert und bezüglich der studentischen Wahrnehmung des Lernens mit den Aufgaben (z. B. Zielklarheit, Umsetzbarkeit der Aufgaben zuhause, Nützlichkeit der verwendeten Technologien) und der affektiven Wirkungen (z. B. Neugier, Interesse, Realitätsbezug, disziplinäre Authentizität und Autonomie) evaluiert. Die Erhebungsinstrumente basierten teils auf bestehenden Skalen, u. a. von Klein (2016), teils auf Eigenentwicklungen in DigiPhysLab. Eine Skalenanalyse in Physik.SMART ergab zufriedenstellende Skalen zur Evaluation Smartphone-gestützter Experimentieraufgaben im Physikstudium. Die Datenerhebung erfolgte semesterbegleitend an beiden Standorten mit vergleichbaren Instrumenten. In Physik.SMART wurden alle neun Smartphone-gestützten Experimentieraufgaben und drei parallele Programmieraufgaben jeweils in kurzen Umfragen mit bis zu 188 Studierenden evaluiert. Zwei weitere Umfragen mit 108 bzw. 78 Studierenden verglichen die affektiven Wirkungen der Experimentieraufgaben mit den Programmier- und klassischen Rechenaufgaben. In Innovation+ erfolgten über die Projektlaufzeit fünf Umfragen mit wechselnden Skalen und bis zu 125 Studierenden. Die ähnlichen Evaluationsansätze erlauben einen vorsichtigen projektübergreifenden Vergleich beider Implementationsansätze. Die Evaluationsergebnisse zeigen insgesamt eine zufriedenstellende studentische Wahrnehmung des Lernens mit den Experimentieraufgaben in beiden Ansätze. Die Studierenden nennen sowohl Lob, etwa die einfache Durchführung von Physik-Experimenten mit dem Smartphone, als auch Kritik, etwa den Zeit- bzw. Gesamtaufwand bei den Projektaufgaben. Bezüglich der affektiven Wirkung ergab sich dagegen ein eher gemischtes Bild. So beurteilten die Studierenden in Aachen die klassischen Rechenaufgaben über die untersuchten Variablen hinweg gleich oder besser als die dortigen Smartphone-Experimente als wöchentliche Übungsaufgaben. Diese wurden hingegen gleich oder besser beurteilt als die Smartphone-Experimente als Projektaufgaben in Innovation+ in Göttingen. Die Programmieraufgaben in Aachen wurden von den untersuchten Aufgaben am niedrigsten beurteilt. Angesichts des erstmaligen Einsatzes der meisten Smartphone-gestützten Experimentieraufgaben in der Lehre sind die Ergebnisse vorsichtig optimistisch einzuschätzen, zeigen jedoch, dass ihr affektives Potenzial bislang nur teilweise ausgeschöpft worden sein dürfte. Mögliche Gründe reichen vom Evaluationsprozess (z. B. Zeitpunkte der Datenerhebung im Semester) über die Aufgabengestaltung (insbesondere bezüglich Offenheits- und Komplexitätsgrads), die konkrete Implementation und Rahmenbedingungen der Lehrveranstaltung bis hin zu den Lernvoraussetzungen der Studierenden. Die Entwicklung, Implementation und Evaluation der Smartphone-gestützten Experimentieraufgaben wurde in dieser Arbeit aus Lehrenden- und Studierendenperspektive gerahmt. Auf Lehrendenseite entstand in DigiPhysLab ein Rahmenmodell zu Designprinzipien digital-gestützter Experimentieraufgaben, das den Entwicklungsprozess von der Zielgruppencharakterisierung und Lernzielformulierung über die Aufgabenkonzeption und Materialentwicklung bis hin zur Implementation unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen aufzeigt. Zudem wurde in einer Studie mit 79 Praktikumslehrenden in Deutschland, Finnland und Kroatien die Verwendung digitaler Technologien in Experimentiersituationen sowie die damit verbundenen Erfahrungen, Einstellungen und Lernziele untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine breite Nutzung verschiedener digitaler Technologien in Physikpraktika, insbesondere von Smartphones und Tablets während der COVID-19-Pandemie, aber auch darüber hinaus. Im Gegensatz zu etablierten Lernzielen wie dem Erwerb experimenteller Fähigkeiten oder der Verknüpfung von Theorie und Praxis werden digitalisierungsbezogene Lernziele als weniger relevant eingeschätzt, wenngleich das Erlernen der Technologienutzung zur Messwerterfassung und -analyse als sehr wichtig beurteilt wird. Verschiedenen Technologien wird dabei ein spezifischer Nutzen zur Erreichung der Lernziele von Praktika zugesprochen, z. B. Smartphones und Tablets zur Förderung der Motivation und persönlichen Entwicklung oder Mikrocontrollern zum Erwerb experimenteller Fähigkeiten. Auf Studierendenseite wurde im Projekt Belastungstrajektorie das studentische Belastungserleben als eine zentrale Kontextvariable der Studieneingangsphase mithilfe des Perceived Stress Questionnaire (Fliege et al., 2001) untersucht. Die Panelstudie über drei Semester und zwei Jahrgänge mit insgesamt 67 Messzeitpunkten und bis zu 128 Teilnehmenden zeigt einen charakteristischen Verlauf des Belastungserlebens im ersten Studienjahr. Von einem niedrigen Ausgangsniveau im Vorkurs bzw. der ersten Vorlesungswoche steigt das Belastungserleben binnen weniger Wochen auf ein erhöhtes Niveau an, das bis nach den Prüfungen weitgehend stabil bleibt, bevor es dann wieder auf ein Niveau teils unter dem Ausgangsniveau absinkt. Zentrale Belastungsquellen sind die wöchentlichen Übungsblätter, die Mathematik-Lehrveranstaltungen, die Prüfungen und die Prüfungsvorbereitung sowie die Praktikumsprotokolle. Das Belastungsmonitoring erfasst die affektive Wahrnehmung der Studieneingangsphase aus Studierendensicht und beschreibt somit auch den Kontext für die Rezeption der Smartphone-gestützten Experimentieraufgaben. Insgesamt zeigt die Arbeit in einem proof of concept, dass Smartphone-Experimente als kürzere Übungsaufgaben und längere Projektaufgaben ins erste Semester des Physikstudiums implementiert werden können, sich intendierte affektive Wirkungen aber nicht automatisch einstellen und bei derartigen neuen Lehr-Lernangeboten der komplexe Kontext der Studieneingangsphase Physik mitberücksichtigt werden muss. Perspektivisch sollte die Weiterentwicklung der Aufgaben und die erneute Evaluation in kontrollierten Vergleichsstudien erfolgen, um die Wirkung von Smartphone-Experimenten noch genauer zu untersuchen. Zugleich ermuntern die Ergebnisse Lehrende und Forschende, den Einsatz von Smartphone-Experimenten in der Hochschullehre und die Berücksichtigung des studentischen Erlebens der Studieneingangsphase Physik weiter voranzutreiben, um langfristig zentralen Herausforderungen der qualitativ hochwertigen, adressatengerechten Lehre, der Sicherung des Studienerfolgs und der Reduktion von Studienabbruch zu begegnen.
Schlagwörter: Smartphone-Experiment; Experimentieren; Studieneingangsphase; Hochschullehre; Belastungserleben; Evaluation; Technologie-gestütztes Lernen; aufgabenbasiertes Lernen; Projektlernen
