Physikalisches Vorwissen von Nebenfachstudierenden - Entwicklung eines Testinstruments und erste Erprobung

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und ersten Erprobung eines Testinstruments zur Erfassung des physikalischen Vorwissens von Studierenden, die Physik als Nebenfach im Rahmen natur- und ingenieurwissenschaftlicher Studiengänge belegen. Hintergrund der Arbeit sind die anhaltend hohen Abbruchquoten und die geringen Bestehensraten in Physik-Nebenfachveranstaltungen, die insbesondere durch inhaltliche Schwierigkeiten der Studierenden gekennzeichnet sind. Studien zeigen, dass nicht nur mathematische Vorkenntnisse, sondern auch physikalisches Vorwissen eine entscheidende Rolle für den Studienerfolg spielen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Konstruktion eines Testinstruments, das eine differenzierte Erhebung physikalischen Vorwissens ermöglicht und damit eine fundierte Grundlage für die didaktische Gestaltung von Lehrveranstaltungen bietet. Hierfür wird das Vorwissensmodell von Hailikari als theoretische Grundlage herangezogen, da es eine klare Unterscheidung zwischen Wissensarten des deklarativen und prozeduralen Wissens und deren Erhebung ermöglicht. Dieses Modell bietet eine strukturierte und empirisch fundierte Basis, um die Heterogenität des Vorwissens zu erfassen und die Komplexität der Wissensarten angemessen zu berücksichtigen. Die empirische Untersuchung dieser Arbeit gliedert sich in eine Hauptstudie zur Entwicklung des Testinstruments und eine Anschlussstudie zur Validierung und einem ersten praktischen Einsatz. In der Hauptstudie wurden verschiedene Items entwickelt und mithilfe statistischer Analysen im Rahmen der Item-Response-Theorie (IRT) überprüft. Die Validierung erfolgte auf mehreren Ebenen, wobei die Passung der Modelle sowie die Objektivität, Reliabilität und Validität der Messungen nachgewiesen werden konnten. Die Anschlussstudie untersucht die Praxistauglichkeit des Testinstruments und analysiert Unterschiede im Vorwissen zwischen verschiedenen Studierendengruppen. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Heterogenität im physikalischen Vorwissen der Zielgruppe, was auf die Notwendigkeit einer spezifizierten Anpassung der Lehrinhalte hinweist. Das entwickelte Testinstrument stellt eine praxisnahe Methode dar, um Defizite frühzeitig zu identifizieren und den Lernerfolg durch gezielte didaktische Maßnahmen zu verbessern. Abschließend werden die Implikationen für die Hochschullehre und mögliche Ansätze zur Weiterentwicklung des Instruments sowie zukünftige Forschungsfragen diskutiert. Diese Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zur Physikdidaktik und empirischen Bildungsforschung, indem sie einen praxisorientierten Ansatz zur Optimierung von Lehrveranstaltungen bereitstellt und erste Hinweise zum Verständnis über die Bedeutung des physikalischen Vorwissens in der untersuchten Zielgruppe liefert.

The present dissertation addresses the development and initial testing of an assessment instrument designed to evaluate the physics prior knowledge of students enrolled in natural and engineering sciences programs, where physics is taken as a minor subject. The background of this work lies in the persistently high dropout rates and low pass rates in physics courses for non-physics majors, which are primarily attributed to content-related difficulties among students. Studies have shown that not only mathematical prior knowledge but also physics-specific prior knowledge plays a crucial role in academic success. The aim of this work is to construct an assessment instrument that enables a differentiated evaluation of physics prior knowledge, thereby providing a solid foundation for the didactic design of teaching. For this purpose, Hailikari’s model of prior knowledge is used as the theoretical framework, as it allows for a clear distinction between declarative and procedural knowledge and their assessment. This model provides a structured and empirically grounded basis for capturing the heterogeneity of prior knowledge and adequately considering the complexity of different types of knowledge. The empirical research in this dissertation is divided into a main study for the development of the instrument and a subsequent study for its validation and practical application. In the main study, various items were developed and tested using statistical analyses based on Item Response Theory (IRT). The validation was conducted on multiple levels, demonstrating the model fit, objectivity, reliability, and validity of the instrument. The subsequent study examines the practical feasibility of the test and analyzes differences in prior knowledge across various student groups. The findings reveal significant heterogeneity in the physics prior knowledge of the target group, underscoring the need for tailored teaching content. The developed instrument offers a practical method to identify knowledge gaps early and improve learning outcomes through targeted didactic measures. Finally, the implications for higher education teaching, potential avenues for further development of the instrument, and future research questions are discussed. This work makes a significant contribution to physics education and empirical educational research by providing a practice-oriented approach to optimizing teaching. Furthermore it will give first informations about the understanding of the importance of physics prior knowledge in the given sample.