Ein bildbasierter Zugang zur Linsenabbildung und Spektroskopie

  • In schulbuchgemäßen Unterrichtsgängen zur Linsenabbildung und Spektroskopie werden optische Phänomene und das Strahlenmodell nur unzureichend aufeinander bezogen. Zudem trennen viele Lernende kaum zwischen dem Modell des Lichtstrahls und dem Phänomen des Lichtbündels. In modellorientiertem Unterricht zu Linsen, Prismen und Gittern wird das Strahlenmodell axiomatisch eingeführt. Nichtsdestotrotz wird das Strahlenmodell anhand des Phänomens eines Lichtbündels veranschaulicht. Die eigentlichen Phänomene (nämlich optische Bilder) kommen dabei oft zu kurz. Zudem wird das Strahlenmodell zu stark vom Wellenmodell abgegrenzt. In phänomenbasiertem Unterricht werden die optischen Bilder ausgiebig beobachtet. Hierbei werden meist einzelne Bildpunkte betrachtet. Dies entspricht jedoch nicht der ganzheitlichen Sicht der Lernenden. Zudem wird das Strahlenmodell weitestgehend gemieden. Vor diesem Hintergrund wird ein bildbasierter Zugang zur Linsenabbildung und Spektroskopie vorgestellt. Ausgehend von ganzen Bildern führt dieser Zugang zum Strahlenmodell und darüber hinaus zum Wellenmodell. Der bildbasierte Zugang wird gemäß dem Modell der Didaktischen Rekonstruktion auf die Sicht der Forschenden und die Sicht der Lernenden abgestimmt. Für die fachliche Klärung werden Texte von Johannes Kepler und Vaibhav Vaish, von Isaac Newton und Matthias Rang, von Joseph Fraunhofer und José Lunazzi sowie von Albrecht Dürer analysiert. Für die Erfassung der Lernerperspektive werden bisherige Studien zusammengetragen und eigene Vermittlungsexperimente (Teaching experiments) durchgeführt. Für die didaktische Strukturierung werden die phänomenologische Methode und die Modellmethode zu einer phänomenbasierten Modellmethode zusammengeführt. Dadurch wird ein schrittweiser Übergang von der Phänomenwelt zur Modellwelt ermöglicht. Der bildbasierte Zugang erfolgt in sechs Schritten: 1. Alltagsnahe Phänomene der Linsenabbildung und Spektroskopie beobachten. 2. Innerhalb des Linsenbildes und Spektrums ganze Einzelbilder offenbaren. 3. Linsenabbildung und Spektroskopie als Überlagerung von Einzelbildern betrachten. 4. Die räumliche Verteilung der Einzelbilder anhand von Verbindungslinien übersichtlich darstellen. 5. Die Verbindungslinien anwenden, um die Überlagerung der Einzelbilder zum Gesamtbild vorherzusagen. 6. Das Modellhafte dieser so genannten Strahlen besprechen. Auf diese Weise werden Phänomenwelt und Modellwelt klar voneinander getrennt. Gleichzeitig werden die beobachtbaren Bilder und die hinzugedachten Strahlen klar aufeinander bezogen. In Vermittlungsexperimenten mit Siebtklässlern und Studierenden konnte der bildbasierte Zugang genutzt werden, um die Lernenden von ihrem holistischen Standpunkt zum analytischen Standpunkt der Forschenden zu begleiten. Darüber hinaus hat der bildbasierte Zugang zu fachwissenschaftlichen Erkenntnissen geführt. Diese werden ebenso dargestellt. Für die Linsenabbildung wird eine bildbasierte Konstruktionsmethode entwickelt. Sie enthält die herkömmliche Konstruktionsmethode als Spezialfall. Im Bereich der Spektroskopie wird ein einfaches Verfahren zur Spektralsynthese beschrieben (Superposition of Newtonian Spectra, SNS) und spektral kodierte Bildprojektion vorgestellt (Projected-Image Circumlineascopy, PICS). Analog dazu wird Newtons experimentum crucis umgedeutet. Zudem wird die abbildungsoptische Beschreibung des Spektroskops erweitert und eine hyperspektrale Bildgebungstechnik namens spatiospectral scanning eingeführt. An diesen Beispielen wird gezeigt, wie Didaktische Rekonstruktion zur wissenschaftlichen Konstruktion beitragen kann.
  • In German textbooks about lens imaging and spectroscopy, the relationship between optical phenomena and the ray model is not sufficiently clarified. Moreover, students hardly distinguish between the model of a light ray and the phenomenon of a light beam. In model-oriented courses about lenses, prisms, and gratings, the ray model is introduced in the form of axioms. Still, the ray model is visualized by the phenomenon of light beams. Meanwhile, the original phenomena (namely images) are neglected. Furthermore, the ray model is separated too much from the wave model. In phenomenon-based courses, the optical images are thoroughly observed. Often, individual image points are considered. However, this treatment does not correspond to the holistic view of many learners. Moreover, the ray model is avoided as far as possible. Against this backdrop, an image-based approach to lens imaging and spectroscopy is proposed. Based on whole images, this approach leads to the ray model and further on to the wave model. The image-based approach is designed according to the Model of Educational Reconstruction, mediating between learners’ and scientists’ ideas. For scientific clarification, texts by Johannes Kepler and Vaibhav Vaish, by Isaac Newton and Matthias Rang, by Joseph Fraunhofer and José Lunazzi, as well as by Albrecht Dürer, are analyzed. For insights into the learners’ perspective, previous studies are gathered and teaching experiments are performed. For didactic structuring, the phenomenological method and the modeling method are integrated within a phenomenon-based modeling method, enabling a stepwise transition from phenomena to models. The image-based approach involves six steps: First, everyday phenomena of lens imaging and spectroscopy are observed. Second, whole individual images are revealed within the lens image and spectrum. Third, lens imaging and spectroscopy are treated as a superposition of individual images. Fourth, the spatial arrangement of those individual images is represented by connecting them with lines. Fifth, these lines are used to predict the superposition of the individual images within the composite image. Sixth, these so-called rays are discussed as a scientific model. In this way, phenomena are clearly separated from models. At the same time, the relationship between observable images and imaginary rays is clarified. In teaching experiments with seventh-graders and prospective teachers, the image-based approach was effective in guiding the learners from their holistic standpoint to the scientists’ analytic standpoint. Beyond that, the image-based approach has led to scientific insights. These are presented, as well. For lens imaging, an image-based construction method is devised. It includes the common method as a special case. For spectroscopy, a simple method of spectral synthesis is described as a Superposition of Newtonian Spectra (SNS), and spectrally encoded image projection is presented in the form of Projected-Image Circumlineascopy (PICS). Analogously, Newton’s experimentum crucis is reinterpreted. Moreover, the imaging principle of a spectroscope is described in a more general way, and a hyperspectral imaging technique called spatiospectral scanning is introduced. These examples are used to illustrate how Educational Reconstruction may contribute to scientific construction.

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Metadaten
Author:Sascha Grusche
URN:urn:nbn:de:bsz:747-opus4-2665
Referee:Herbert Gerstberger, Roger Erb
Advisor:Florian Theilmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2018/12/06
Date of first Publication:2018/12/06
Publishing Institution:Pädagogische Hochschule Weingarten
Granting Institution:Pädagogische Hochschule Weingarten
Date of final exam:2018/03/13
Release Date:2018/12/06
Tag:Linsenabbildung; Optik; Spektroskopie; Strahlenmodell; Wellenmodell
Pagenumber:358
Institutes:Pädagogische Hochschule Weingarten
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung

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