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Apps zum Umgang mit Daten und Messunsicherheiten

Aus PhySX - Physikalische Schulexperimente Wiki
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Kompetenzen für einen adäquaten Umgang mit Messdaten und ihren Unsicherheiten sind beim Experimentieren in der Schule unabdingbar und für den Erkenntnisgewinn in der Physik notwendig. Neben normativen Gründen gibt es mittlerweile eine Reihe von empirischen, fachdidaktischen Studien, welche die Bedeutung von Kompetenzen im Umgang mit Daten unterstreichen: So konnten wir in verschiedenen Studien mit über 1500 Schüler*innen zeigen, dass Schüler*innen, die eher ein hohes Vorwissen haben, eher fachlich richtige Schlüsse aus Messdaten schließen, während hingegen Lernende, denen Kompetenzen zur Auswertung von Messdaten fehlen, eher intuitiv vorgehen und eher zu fachlich falschen Hypothesen gelangen. Vor diesem Hintergrund entwickeln wir im Projekt „Förderung der Argumentationsfähigkeit beim Experimentieren im Physikunterricht“ 10 digitale Lernumgebungen, die das fachliche Wissen der Schüler*innen im Hinblick auf den Umgang mit Daten und Messunsicherheiten fördern und als open educational resource für Physiklehrkräfte zur Einbindung im Unterricht zur Verfügung stehen.


(A) Direktes Messen (B) Indirektes Messen
(A1) Streuung von Messwerten

Jede Messung ist mit einer Unsicherheit versehen. Zur Angabe eines Messergebnisses gehört stets die Messunsicherheit

(B1) Addition absoluter Unsicherheiten

Verrechnung unsicherheitsbelasteter Größen mit Konstanten und Fortpflanzung von Unsicherheiten in physikalischen Gesetzmäßigkeiten (Strichrechnung)

(A2) Unsicherheitsbestimmung

Unsicherheiten können prinzipiell auf zwei Arten bestimmt werden: Die Unsicherheit muss recherchiert werden oder sie kann mit statistischen Mitteln abgeschätzt werden.

(B2) Addition relativer Unsicherheiten

Verrechnung unsicherheitsbelasteter Größen mit Konstanten und Fortpflanzung von Unsicherheiten in physikalischen Gesetzmäßigkeiten (Punktrechnung)

(A3) Messabweichung

Definition und Nennung der Eigenschaften der Messabweichung

(B3) Gauß'sche Unsicherheitsfortpflanzung*

Weiterführende Rechnungen über mehrere Stufen, in denen unsicherheitsbehaftete Größen auftreten, allgemeiner Ansatz zur Unsicherheitsfortpflanzung

(C) Grafische Auswertung (D) Signifikanz
(C1) Unsicherheitsflächen

Darstellung von Messwerten mit Unsicherheiten im Koordinatensystem. Einführung von Unsicherheitsbalken in x- und y-Richtung.

(D1) Vergleich von Messergebnissen

Unterscheidbarkeit wird als Überschneidung von Unsicherheitsintervallen eingeführt. Insbesondere über den grafischen Zugang und der dazugehörigen Überlappung der Intervalle wird die Verträglichkeit von Messergebnissen verdeutlicht.

(C2) Ausgleichsgeraden

Einführung der Grundlagen für die Regression. Schüler*innen lernen die Eigenschaften der Ausgleichsgerade kennen.

(D2) Boxplots

Einführung von Boxplots als weitere Darstellung eines Messergebnisses. Untersuchung der Quartile als propädeutischer Aspekt für die Einführung der Signifikanz.

(C3) Drei-Geraden-Methode

Eine Ausgleichsgerade ist in den seltensten Fällen eindeutig. Eine sinnvolle Ausgleichsgerade kann über die Drei-Geraden-Methode ermittelt werden.

(D3) Hypothesentests*

Einführung des Signifikanzbegriffs. Bedeutung des Signifikanzniveaus sowie Fehler erster und zweiter Art.

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