Förderung experimenteller Problemlösefähigkeit. Empirische Befunde und konzeptionelle Überlegungen unter besonderer Berücksichtigung der komplexen Domäne Ökologie und kontextbasierten Lernens in der Orientierungsstufe der SEK I

  • Das Experiment ist eine essentielle Erkenntnisgewinnungsmethode der Naturwissenschaften. Eigenständiges Experimentieren erfordert zahlreiche Kompetenzen und wird als anspruchsvoller Problemlöseprozess betrachtet. Experimentelle Problemlösefähigkeit und damit verbundenes Wissenschaftsverständnis leisten einen wichtigen Beitrag zur naturwissenschaftlichen Grundbildung, sind jedoch bei vielen Lernenden nicht zufriedenstellend ausgeprägt. Fachdidaktische Forschung bemüht sich daher um die Verbesserung schulischer Lehr-Lernprozesse. Seit Jahrzehnten werden in der naturwissenschaftsdidaktischen Unterrichtsforschung Konzepte zur Förderung experimenteller Kompetenzen entwickelt, implementiert und evaluiert. Dafür müssen Kompetenzmodelle postuliert und empirisch geprüft sowie Messverfahren und Testinstrumente zur Erfassung der Performanz entwickelt, erprobt, validiert und optimiert werden. Zahlreiche Studien bezeugen, wie hochkomplex das Zusammenspiel diverser Voraussetzungen und Faktoren ist, welche die Effektivität von Naturwissenschaftsunterricht zur Förderung experimenteller Problemlösefähigkeit beeinflussen. Diese Einflussgrößen sind auf ganz unterschiedlichen Ebenen verortet: individuelle Lernvoraussetzungen und Verarbeitungsprozesse der Schülerinnen und Schüler; Eigenschaften der Klasse, der Schule und des Soziotops; Unterrichtsmedien; Merkmale der Lehrkraft sowie Aspekte der Unterrichtsprozesse. Inzwischen liegen zahlreiche Forschungserkenntnisse vor: (a) zur Bedeutung kognitiver, metakognitiver und affektiver Voraussetzungen und deren Entwicklungsverläufe, (b) zur Operationalisierung und Dimensionalität von Kompetenzkonstrukten, (c) zur Wirksamkeit von Treatments für spezielle Kompetenzen und (d) zur Bedeutung des moderaten Konstruktivismus für die Gestaltung erfolgreicher Lernumgebungen. Empirisch wurde hingegen u. a. kaum untersucht, (a) welche Chancen und Herausforderungen für die Förderung domänenübergreifender und -spezifischer experimenteller Kompetenzen mit der komplexen Domäne Ökologie verbunden sind, (b) wie sich anspruchsvolle Lernkontexte im Rahmen der Bildung für nachhaltige Entwicklung in dieser Domäne in der Orientierungsstufe auf verschiedene Zielkriterien auswirken, (c) ob Schulbücher und Lehrerhandreichungen die Kompetenzförderung gut unterstützen und (d) ob systemisches Denken für das Verständnis für externe Validität ökologischer Experimente vorteilhaft sein könnte; des Weiteren wurde (e) der Großteil von Interventionsstudien in Stichproben aus besonders leistungsstarken Versuchspersonen durchgeführt, was deren Übertragbarkeit auf Lernende mit anderen kognitiven Voraussetzungen relativiert. In dieser Arbeit werden die Befunde einer quasiexperimentellen Interventionsstudie zur Förderung experimenteller Problemlösefähigkeit im Kontext ökologischer Bildung mit mehreren Experimentalgruppen in der 6. Klassenstufe an Realschulen in Baden-Württemberg sowie einer Analyse von Schulbüchern und Lehrerhandreichungen zum Fächerverbund „Naturwissenschaftliches Arbeiten“ der Orientierungsstufe in der aktuellen naturwissenschaftsdidaktischen Forschung verortet und in diesem Rahmen diskutiert. Die zentralen Erträge der in den Einzelbeiträgen vorgestellten eigenen Studien um-fassen mehrere Erkenntnisse: dass (a) domänenübergreifende experimentelle Kompetenzen in den teilnehmenden Realschulklassen auch in einem anspruchsvollen Lernkontext bereits in der 6. Klassenstufe gefördert werden können, jedoch nur mit kleinem Effekt; (b) das domänennahe Verständnis für Kriterien der externen Validität trotz anschaulicher Beispiele und expliziter Reflexion nicht gefördert wurde, es aber Anhaltspunkte gibt, dass systemisches Denken das Verständnis besser steigern könnte; (c) sich die Domäne „Ökologie“ zur Einführung grundlegender domänenübergreifender experimenteller Kompetenzen angesichts ihrer Komplexität und des für die Suche im Hypothesen- und Experimentraum, die Interpretation der Befunde und die Beurteilung von Validitätskriterien erforderlichen enormen Domänenwissens in der Orientierungsstufe nicht eignet; (d) Domänenwissen die Suche im Hypothesenraum begünstigt, jedoch für die untersuchten anderen, domänenübergreifenden experimentellen Kompetenzen ohne Belang ist; (e) Schulbücher und Lehrerhandreichungen für die Orientierungsstufe (Bildungsplan 2004) wenig Angebote und Impulse für eigenständiges Experimentieren sowie kaum inhaltliche und didaktisch-methodische Informationen zum Aufbau experimenteller Kompetenzen enthalten. Als Perspektiven bzw. Implikationen für die Schulpraxis lassen sich aus den eigenen Forschungsarbeiten u. a. ableiten: (a) Gestaltung von Spiralcurricula zur kumulativen Förderung domänenübergreifender und domänenspezifischer experimenteller Kompetenzen; (b) Erarbeitung und Beurteilung von Validitätskriterien sowie Weiterentwicklung des Naturwissenschaftsverständnisses anhand der Domäne Ökologie in höheren Klassenstufen; (c) Schwerpunktsetzung auf der Ebene der Zielkriterien des Unterrichts, intensive Einübung jeder Kompetenz; (d) Reduktion der kognitiven Belastung aus eher nebensächlichen Treatmenteigenschaften, die z. T. kontextbedingt sind; (e) Gestaltung bzw. Auswahl von Schulbüchern und Lehrerhandreichungen mit ausführlichen, möglichst aktuellen didaktisch-methodischen Hinweisen, Informationen zur experimentellen Methode, wissenschaftsmethodischen Fähigkeiten und Strategien sowie Lerngelegenheiten für hands- und minds-on-Schülerexperimente. Desiderate für die künftige naturwissenschaftsdidaktische Forschung betreffen u. a. (a) die Optimierung des Designs der Interventionsstudie für differenziertere Analysen von Gelingensbedingungen der Förderung experimenteller Problemlösefähigkeit, (b) die Weiterentwicklung von Tests sowie (c) die Untersuchung der neuen Generation von Schulbüchern und Lehrerhandreichungen: hinsichtlich Hinweisen, Lernangeboten und spiralcurricularer Konzeption. Schlüsselwörter: Experiment, Schülerexperiment, systemisches Denken, Kompetenzförderung, Cognitive Apprenticeship, Domäne, Ökologie, Lernkontext, Bildung für nachhaltige Entwicklung, Interventionsstudie, Validität, Spiralcurriculum, Schulbuchanalyse.
  • Promoting Experimental Problem-solving Ability. Empirical results and conceptual considerations with particular focus on the complex domain “ecology“ and context-based learning in grades 5-6. Summary. Experimentation is an essential method for knowledge acquisition. Independent experimentation requires numerous competences and is viewed as a challenging problem-solving process. Although problem-solving ability in experimentation and the associated conceptions of nature of science are both fundamental contributions to scientific literacy, they are not satisfactorily present in many learners. For this reason, research in science education is focusing on optimizing processes of teaching and learning in schools. For several decades, possible ways of promoting the development of competences in experimentation have been conceived, implemented and evaluated. Competence models must be postulated and empirically proofed, and assessment methods as well as test instruments have to be developed, tried, validated and optimized. Numerous studies have shown just how complex the system of various assumptions and contributing factors that influence the effectiveness of science instruction to develop competences in experimentation can be. These influencing variables are located on different levels: individuals’ learning conditions and learning processes; conditions in the entire class, the school, and the social environment; the type of learning media used; qualities of the instructor; and characteristics of the instructional processes. Many points have been clarified about (a) the significance of cognitive, metacognitive, and affective prerequisites and how they develop; (b) the operationalization and dimensionality of competence constructs; (c) the effectiveness of treatments for enhancing specific competences; and (d) the role of a moderate constructivism in designing successful learning environments. By contrast, several points have not been extensively empirically investigated: (a) which opportunities and challenges for the promotion of cross-domain and domain-specific experimentation competences are connected with the complex domain “ecology”; (b) how do sophisticated learning contexts within the framework of “education for sustainable development” in grades 5 and 6 effect the achievement of different targeted goals; (c) whether school textbooks and booklets of recommendation with information and didactic-methodological proposals for science teachers help to promote competence development well; and (d) whether systems thinking for the understanding of external validity of ecological experiments could be useful; and further (e) how well can the results of the majority of intervention studies, which were conducted on samples of particularly successful students, be applied to a broad population of learners with different cognitive conditions. In this thesis, the findings of a quasi-experimental intervention study to promote experimental problem-solving ability within the framework of ecological literacy are presented. The domain studied was “forest ecology”. The participants were grade 6 students in Middle Schools [Realschule] in southwestern Germany. In addition, we conducted an analysis of school text-books and teacher handouts in the integrated school subject “scientific inquiry” [Naturwissenschaftliches Arbeiten] used in grades 5 and 6. The results of our studies are discussed with regard to the current research in science education. The major results are that (a) cross-domain experimentation competences can be promoted in grade 6 within our sophisticated SSI-learning context, although only to a small degree; (b) despite simple, illustrative examples and explicit reflection used in instruction, domain-specific understanding of particular criteria for external validity is not promoted; however there is indication that systems thinking could improve comprehension; (c) ecology is not a suitable domain to promote basic cross-domain experimentation competences in grades 5 and 6 because it deals with highly complex systems and requires broad domain knowledge for the search in both hypothesis and experiment spaces, to interpret experimental findings, and to assess the validity of those findings; (d) prior domain knowledge aids the search in the hypothesis space, but is of no significance for the other, dross-domain experimental competences on which we focused; (e) school textbooks and booklets for science teachers for grades 5 and 6 (national curriculum from 2004) give only few suggestions and learning opportunities for independent experimentation and contain hardly any content or didactic-methodological information that would enhance experimentation competences. The implications for improving teaching practice that can be gleaned from this study are: (a) design of spiral curricula that cumulatively promote cross-domain and domain-specific experimentation competences; (b) development and evaluation of validity criteria and further improvement of the understanding of nature of science through the domain „ecology“ in higher grades; (c) narrow focus on the level of the goals of instruction, intensive practice of each competence; (d) reduction of the cognitive load of trivial characteristics of the treatment, which are partially dependent on the context; (e) design or choice of school textbooks and teacher booklets with detailed, up to date didactic-methodological advice, information about the experimental method, skills and strategies of scientific reasoning as well as learning opportunities for hands- and minds-on student experiments. It is desirable in future studies to (a) optimize the design of the intervention study for differentiated analyses of conditions for success in promoting experimental problem-solving ability, furthermore to (b) develop the test instruments, and to (c) investigate the new generation of school textbooks and teacher materials with respect to didactic-methodical advice, learning opportunities and spiral curriculum conception. Key words: Experiment, school experiment, systems thinking, competence development, cognitive apprenticeship, domains, ecology, learning context, education for sustainable development, intervention study, validity, spiral curriculum, textbook analysis.

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Metadaten
Author:Frank Rösch
URN:urn:nbn:de:bsz:frei129-opus4-7197
Referee:Werner Rieß, Josef Nerb
Advisor:Werner Rieß, Josef Nerb
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Publishing Institution:Pädagogische Hochschule Freiburg
Granting Institution:Pädagogische Hochschule Freiburg, Fakultät III
Date of final exam:2018/01/29
Release Date:2018/02/21
Tag:Experiment; Kompetenzförderung; Schülerexperiment; Systemisches Denken; Ökologie
Pagenumber:XIX, 517 S.
Institutes:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Technik
Dewey Decimal Classification:300 Sozialwissenschaften / 370 Erziehung, Schul- und Bildungswesen / 373 Sekundarbildung
500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften, Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung

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