Julia Welberg, Christoph Holz und Susanne Heinicke

Umgang mit unsicheren Daten

Thermodynamik Experiment Messung Messunsicherheit Daten
Experiment mit Gummi-Ente, Wollsocke, Papiertüte, Stoppuhr, Digitalthermometer, Foto: Julia Welberg

Julia Welberg, Christoph Holz und Susanne Heinicke

Perspektive der Schülerinnen und Schüler

Eigentlich könnte es doch sehr einfach sein, im Physikunterricht mit Fehlvorstellungen umzugehen. Denn anders als in vielen anderen Fächern können wir Aussagen experimentell überprüfen. Ein paar Messwerte aufgenommen und schon sollte die Vorstellung geklärt sein.
So einfach ist es dann aber doch nicht. Von den verschiedenen Faktoren, die in einer solchen Situation eine Rolle spielen, legt dieser Artikel den Fokus auf die Aussagekraft, die Lernende ihren eigenen Messwerten zuschreiben. In einer Studie 1) wurde untersucht, welche Rolle unsichere Messdaten im Entscheidungsprozess der Lernenden spielen. Daraus ergeben sich sowohl Anregungen für den Physikunterricht als auch konkrete Materialien, die sich als Diskussionsanlässe im Unterricht ebenso nutzen lassen.
Wie bewerten Lernende (unsichere) Daten?
Die Bewertung von Daten ist Teil des experimentellen Handelns im Unterricht. Das gilt sowohl für eher qualitative als auch für quantitative Experimente und besonders dann, wenn Abweichungen und Widersprüche innerhalb der Datensätze oder zwischen Daten und theoretischer Erwartung auftreten. Anregungen zum Umgang mit Messdaten aus Lehrersicht finden sich in den anderen Artikeln des Kapitels 2 „Umgang mit Messfehlern. In diesem Beitrag geht es nun um die Perspektive der Lernenden, und zwar in Situationen der Bewertung selbst aufgenommener Messdaten bzw. selbst durchgeführter Experimente. Welche Aussagekraft haben in den Augen der Lernenden ihre Daten und welchen Stellenwert im Vergleich mit ihren theoretischen Erwartungen?
Es wäre schön anzunehmen, dass experimentelle Daten Lernende unmittelbar überzeugen könnten, sich von einer falschen Hypothese zu verabschieden. Die Erfahrung lehrt allerdings oft etwas anderes. Der Aushandlungsprozess zwischen den neuen Informationen und den bisherigen Überzeugungen gestaltet sich in der Realität weitaus komplexer und weniger stringent. In der Kognitionspsychologie wird diese Neigung, Informationen generell eher der eigenen Meinung entsprechend zu interpretieren bzw. wahrzunehmen, als „Bestätigungsfehler (engl.: confirmation bias) bezeichnet (vgl. [1]): Ich habe die Überzeugung, dass eine schwere Eisenkugel schneller fällt als eine leichte, und sehe sie darum in einem Demonstrationsexperiment auch eher einen Moment schneller auf dem Boden ankommen.
Nimmt man nun der Betrachtung der Situation einen weiteren Aspekt hinzu, wird die Lage noch komplexer (s. dazu genauer [2]): Welchen Einfluss auf die Interpretation von (der Vermutung widersprechenden) Daten hat das Wissen der Lernenden um die Existenz von Messunsicherheiten? Es zeigte sich (s. [2]), dass Lernende, denen die begrenzte Genauigkeit von Messungen bewusst ist, tendenziell eher zu „konservativen Entscheidungen neigen, d.h., dass sie die (inkorrekte) Anfangshypothese häufiger beibehalten als verwerfen. Sie schreiben den Daten keine ausreichende Aussagekraft zu, um die Eingangshypothese zu verwerfen.
Geeignete Experimente zum Spannungsfeld zwischen Überzeugungen und Daten
Um mehr über die Vorstellung der Lernenden und ihren Umgang mit der Diskrepanz zwischen Vermutung bzw. Überzeugung und experimentellen Daten herauszufinden, eignen sich besonders Experimente, die berüchtigt dafür sind, dass ihnen physikalisch „falsche Vorstellungen unterliegen können, wie z.B.:
  • Die Masse des Pendelkörpers bestimmt die Pendeldauer.
  • Schwere Gegenstände fallen schneller als leichte.
  • Wolle wärmt (aktiv) Gegenstände.
Mithilfe der im Folgenden kurz vorgestellten Experimente (s.a. Abb. 1) wurde untersucht, ob die Schülerinnen und Schüler ihre selbst erfassten Messwerte als überzeugend genug einschätzen, um eine zuvor gewählte Hypothese anzunehmen oder abzulehnen. Die ausgewählten Experimente sind in Bezug auf Zeit- und Materialaufwand einfach gehalten und eignen sich daher auch gut als Diskussionsanlass im...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 177 / 178

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Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 5-13