Die Anwendung naturwissenschaftlicher Untersuchungsmethoden inklusiv gestalten – Naturwissenschaftsdidaktische Theorie und Empirie erweitern mit dem Kategoriensystem inklusiver naturwissenschaftlicher Unterricht (KinU)

ZusammenfassungZur Verknüpfung von etablierten und typischen Themenfeldern des naturwissenschaftlichen Unterrichts mit inklusiver Pädagogik wurde ein systematisches Literaturreview zur Ableitung des umfassenden Kategoriensystems inklusiver naturwissenschaftlicher Unterricht (KinU) durchgeführt. In einer vorherigen Publikation sind das detaillierte methodische Vorgehen sowie die methodische Diskussion zur besseren intersubjektiven Nachvollziehbarkeit veröffentlicht (www.leuphana.de/inclusive-science-education). In diesem Artikel wird das Kategoriensystem inhaltlich diskutiert, inwieweit sich die Ergebnisse und Implikationen aus der Literatur zur Umsetzung inklusiven naturwissenschaftlichen Unterrichts mit den Erkenntnissen aus der naturwissenschaftsdidaktischen Theorie und Empirie ohne expliziten Inklusionsbezug überschneiden oder diese ergänzen. Der Vergleich wird exemplarisch zu „naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden inklusiv gestalten“ durchgeführt, was mit n = 126 Kategorien die größte der 16 Hauptkategorien des KinU (N = 935) darstellt. Dieser Vergleich wird entlang von Aktionen, Ausführungsformen, Funktionen, experimenteller Kompetenz und Offenheit naturwissenschaftlicher Untersuchungsmethoden strukturiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in der naturwissenschaftsdidaktischen Theorie und Empirie ohne expliziten Inklusionsbezug der naturwissenschaftsbezogene Gegenstandsbereich detailliert beschrieben wird und die Anforderungen an die Schüler*innen bzgl. dieses Gegenstands herausgestellt werden. Um inklusiven naturwissenschaftlichen Unterricht zu bestimmen, ist es notwendig, konkrete Zugänge speziell für etablierte und typische Themenfelder des naturwissenschaftlichen Unterrichts zu schaffen. Ein wesentlicher Mehrwert zu der allgemein naturwissenschaftsdidaktischen Literatur liegt darin, dass in den Publikationen mit Inklusionsbezug beschrieben wird, wie der naturwissenschaftliche Gegenstand modifiziert werden kann und welche zusätzlichen Angebote gemacht werden können, damit alle Schüler*innen an diesem Gegenstand mit dem Ziel der naturwissenschaftlichen Grundbildung partizipieren können. Die konkreten Erweiterungen diesbezüglich werden entlang des KinU zusammengefasst dargestellt.

Der Simulierte Klassenraum Biologie – Erfassung deklarativen und prozeduralen Wissens bei Lehramtsstudierenden der Biologie

ZusammenfassungIn der Lehrerprofessionalisierungsforschung werden zahlreiche Studien durchgeführt, die sich intensiv mit verschiedenen Wissensbereichen – fachliches, fachdidaktisches und pädagogisches Wissen – beschäftigen. Vernachlässigt werden häufig spezifische Wissenstypen, die nach psychologischen Ansätzen in deklaratives und prozedurales Wissen differenziert werden. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Studie die verschiedenen Bereiche des Professionswissens angehender Biologiestudierenden (N = 51) zur Evolution und versucht gleichzeitig, erste Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen dem deklarativen und prozeduralen Wissen zu gewinnen. Zu diesem Zweck wird eine Kombination zweier Instrumente verwendet - ein Fragebogen zur Evolution, der das deklarative Wissen misst - und der Simulierte Klassenraum Biologie (SKRBio), der das prozedurale Wissen im Bereich der Diagnosefähigkeit erfasst. Im SKRBio können die Lehramtsstudierenden Fragen zur natürlichen Selektion an virtuelle Schüler*innen richten, woraufhin die gegebenen Antworten und die gezeigten Leistungen diagnostiziert werden müssen. Die Ergebnisse im SKRBio zeigen, dass die Lehramtsstudierenden in der Lage sind, die wissenschaftliche Korrektheit der virtuellen Schülerantworten zu beurteilen (91% Diagnoserate). Größere Schwierigkeiten werden bei der Diagnose spezifischer Fehlvorstellungskategorien innerhalb der virtuellen Schülerantworten identifiziert (59% Diagnoserate). Zwischen dem deklarativen und dem prozeduralen Wissens zeigten sich schwache bis moderate Zusammenhänge. Erwartungswidrige Ergebnisse lieferten die differenzierten Zusammenhangsanalysen zwischen deklarativem und prozeduralem Wissen innerhalb eines Wissensbereichs. Diese Befunde zeigen, dass deklaratives und prozedurales Wissen angehender Lehrer*innen zusammenhängen. Weitere Replikationsstudien könnten dazu beitragen, die beobachteten Unterschiede in den Zusammenhangsgrößen innerhalb der Wissensbereiche zu erklären. In Zukunft könnte der SKRBio eine simulierte Klassenraumumgebung darstellen, um Lehramtsstudierenden neben den schulpraktischen Phasen die Möglichkeit zu geben, prozedurales Wissen anzuwenden und trainieren zu können.

Verfügbarkeit und Zielsetzungen digitalisierungsbezogener Lehrkräftefortbildungen für naturwissenschaftliche Lehrkräfte in Deutschland

ZusammenfassungLehrkräfte sind essentiell für die Integration digitaler Technologien in Schule und Unterricht. Ihre Qualifizierung für diese Aufgabe ist daher in allen Phasen der Lehrkräfteausbildung von zentraler Bedeutung, zumal nur etwa ein Drittel der derzeit im aktiven Schuldienst befindlichen Lehrkräfte während des Studiums Lerngelegenheiten zu einem digitalisierungsbezogenen Kompetenzaufbau hatte. Trotz des Wunsches nach einer digitalisierungsbezogenen Qualifikation besuchen deutsche Lehrkräfte jedoch vergleichsweise selten Fortbildungen. Neben fehlender Passung des Fortbildungsangebots könnte für diese Diskrepanz ein unzureichendes Angebot verantwortlich sein. Wir untersuchen in dieser Studie, welche Fortbildungsangebote in 12 von 16 Bundesländern explizit für naturwissenschaftliche Lehrkräfte über staatliche Fortbildungskataloge angeboten wurden, welche Kompetenzbereiche des Orientierungsrahmens „Digitale Kompetenzen für das Lehramt in den Naturwissenschaften“ (DiKoLAN) die Fortbildungen adressieren und inwieweit die in den Fortbildungen adressierten didaktischen Funktionen die Lehrkräfte bei der Ausbringung von Distanzunterricht während der Schulschließungen 2020 hätten unterstützen können. Insgesamt werden 90 Fortbildungen identifiziert und damit zu wenige, um die Zielsetzungen der Kultusminister Konferenz-Strategie „Bildung in der digitalen Welt“ angemessen zu verfolgen. Aus den Angeboten lassen sich kaum Hinweise auf Faktoren ablesen, die der individuellen Lehrkraft einen kumulativen Kompetenzaufbau ermöglichen. Fast alle Fortbildungsangebote adressieren für Naturwissenschaftslehrkräfte relevante Kompetenzbereiche des DiKoLAN-Orientierungsrahmens, ein Teil ist geeignet, Lehrkräfte die didaktischen Funktionen zu vermitteln, die auch bei der Ausbringung von Distanzunterricht genutzt werden können.

Einfluss visueller Hilfen und räumlicher Fähigkeiten auf die graphische Interpretation von Vektorfeldern: Eine Eye-Tracking-Untersuchung

ZusammenfassungEin solides Verständnis physikalischer Konzepte erfordert den Umgang mit multiplen Repräsentationen wie Formeln und Diagrammen zur Bildung kohärenter mentaler Modelle. Bei komplexen Sachverhalten haben Studierende häufig Schwierigkeiten mit solchen repräsentationalen Verknüpfungen und benötigen deshalb instruktionale Unterstützung. In diesem Beitrag wird der Einfluss von zwei Instruktionen (mit und ohne visuelle Hilfen; VH vs. OH) zur graphischen Interpretation eines Vektorfelddiagramms hinsichtlich Divergenz auf die Leistungsfähigkeit von $$N=141$$ N = 141 Studierenden untersucht. Beim Lesen der Instruktion und der anschließenden Aufgabenbearbeitung wurden die Augenbewegungen mit einem Eye-Tracker aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass Studierende in der VH-Gruppe ($$N=64$$ N = 64 ) eine bessere Testleistung erzielten als Studierende der OH-Gruppe ($$N=77$$ N = 77 ). Der Unterschied ist am stärksten ausgeprägt für die Studierendengruppen mit hohen und mittelstarken räumlichen Fähigkeiten, die im Vorfeld der Untersuchung mittels eines standardisierten Raumspannentests ermittelt wurden. Die Eye-Tracking-Analysen zum Lesen der Instruktionen zeigen, dass den Studierenden mit visuellen Hilfen die Selektion, Organisation und Integration lernrelevanter Informationen im Sinne der kognitionspsychologischen Theorie multimedialen Lernens besser gelingen als Studierenden der OH-Gruppe. Die Analyse der Eye-Tracking-Daten beim anschließenden Problemlösen ergibt, dass Studierende mit VH-Instruktion ihre Augen systematischer über die Vektorfelddiagramme bewegen, was eine korrekte Anwendung der vermittelten Strategie indiziert. Neben dem modellprüfenden Charakter und der Bedeutung visueller Hilfen zeigt die Studie das diagnostische Potential von Eye-Tracking bei Aufgaben mit hohen Ansprüchen an die kognitiv-visuellen Fähigkeiten.

Was ist schwierig am Modellieren? Identifikation und Beschreibung von Hindernissen in Modellierungsprozessen von Lehramtsstudierenden naturwissenschaftlicher Fächer

ZusammenfassungDie Entwicklung von Modellkompetenz im naturwissenschaftlichen Unterricht kann potenziell zur Erreichung vielfältiger Ziele naturwissenschaftlicher Bildung beitragen. Studien deuten allerdings darauf hin, dass Modellierungsprozesse, in denen Modelle kritisch reflektiert oder als Werkzeuge zur Erkenntnisgewinnung eingesetzt werden, im Unterricht eher selten umgesetzt werden und dass Lehrkräfte in Bezug auf Fähigkeiten des naturwissenschaftlichen Modellierens weitere Förderung benötigen. Das Ziel der vorliegenden Studie ist die Identifikation und Beschreibung von Hindernissen, die in Modellierungsprozessen von Lehramtsstudierenden naturwissenschaftlicher Fächer auftreten. Hierzu wurden die Modellierungsprozesse von 36 Lehramtsstudierenden naturwissenschaftlicher Fächer bei der Untersuchung einer Blackbox qualitativ-inhaltsanalytisch ausgewertet. Es konnten 13 verschiedene Hinderniskategorien identifiziert und beschrieben werden. Die identifizierten Hinderniskategorien weisen teils Parallelen zum Experimentieren und naturwissenschaftlichen Arbeiten allgemein auf: Spezifische Hinderniskategorien für das Modellieren ergeben sich dagegen beim Umgang mit Analogien und Erfahrungen und treten vor allem beim Testen des entwickelten Modells auf. Basierend auf vorherigen Arbeiten wurden zudem die Modellierungsprozesse der Lehramtsstudierenden analysiert und sechs typischen Modellierungsstrategien zugeordnet. Es scheint kein eindeutiger Zusammenhang zwischen den identifizierten Hindernissen und den Modellierungsstrategien vorzuliegen, da ProbandInnen, die ähnlichen Hindernissen begegnen, sich hinsichtlich ihrer Modellierungsstrategien teils deutlich unterscheiden. Es wird diskutiert, inwiefern die identifizierten Hinderniskategorien für die weitere Entwicklung von Diagnoseinstrumenten und zur gezielten Planung von Förderangeboten genutzt werden können.

Gibt es einen fachspezifischen Medieneinsatz im naturwissenschaftlichen Fachunterricht? Ergebnisse einer Fragebogenerhebung

ZusammenfassungMediennutzung wird bislang selten fachspezifisch beschrieben. Der Fokus liegt meist entweder auf der Ausstattung und Nutzung im Allgemeinen – und damit weniger auf der Situation in einzelnen Fächern – oder auf der fachspezifischen Beschreibung für nur einzelne Medien. Aus naturwissenschaftsdidaktischer Perspektive ist aber gerade die fachspezifische Funktion des Medieneinsatzes im Lehr-Lern-Prozess bedeutsam. Dies legt eine theoretisch begründete Heuristik der Mediennutzung nahe, die unter anderem die fachdidaktische Tiefenstruktur der Mediennutzung in den Blick nimmt. In diesem Beitrag werden erste Indizien für fachdidaktische Potenziale von Medien mit Blick auf Lernprozesse in den naturwissenschaftlichen Fächern vorgestellt. Im Vergleich verschiedener exemplarischer Medien zwischen den drei Fächern Biologie, Chemie und Physik werden damit frühere Untersuchungen, z. B. zu einzelnen Medien wie dem Computer erweitert. Untersucht werden die Verfügbarkeit und Nutzung insbesondere gegenständlicher Modelle sowie digitaler Medien. Es ergeben sich in bestimmten Unterrichtssituationen Fachspezifika, die als Beleg für die vorgeschlagene Heuristik interpretiert werden können.

Kompetenzmodell der Modellierkompetenz – Die Rolle abduktiven Schließens beim Modellieren

ZusammenfassungIn diesem theoretischen Beitrag wird das Kompetenzmodell der Modellkompetenz durch Integration der Theorie des abduktiven Schließens ausdifferenziert und als Kompetenzmodell der Modellierkompetenz präsentiert. Abduktives Schließen in der Biologie heißt, ein biologisches Phänomen durch einen kausalen Rückschluss theoriebasiert oder kreativ bestmöglich zu erklären. Kreativität innoviert im Sinne der Erkenntnisgewinnung durch neues theoretisches Wissen den Prozess des Modellierens. Im ausdifferenzierten Kompetenzmodell wird abduktiv schließendes Erklären als neues Niveau hinzugefügt. Beim abduktiv schließenden Erklären bildet die Herstellung eines Modells die Basis für einen sich möglicherweise anschließenden deduktiven Überprüfungsprozess. Dieser umfasst bei der Anwendung des Modells das Ableiten von Hypothesen aus dem Modell und deren Testung. Bei dieser Anwendung eines Modells als Forschungswerkzeug stehen, im Gegensatz zur Anwendung als verständniserzeugendes Medium, prozedurale sowie epistemische Aspekte des Modellierens im Vordergrund. Fachdidaktische Arbeiten aus verschiedenen Disziplinen weisen auf die Bedeutung des abduktiven Schließens beim Modellieren hin. Ausgehend davon stellt sich die Frage, ob und wie abduktives Schließen beim Modellieren auf der Basis von theoretischem Fachwissen oder kreativer Innovation die Bedeutung eines Modells als Forschungswerkzeug hervorhebt.Die Berücksichtigung des abduktiven Schließens beim Modellieren stößt Vorhaben in drei Forschungsbereichen an: (1) Bezogen auf Grundlagenforschung gilt es zu klären, inwieweit die erfolgreiche Modellierung eines Phänomens von theoretischen Vorkenntnissen abhängt. (2) Bezogen auf die Erfassung von Modellierkompetenz ist zu prüfen, inwieweit unterschiedliche biologische Kontexte abduktives Schließen anregen. (3) Mit Blick auf eine Förderung von Modellierkompetenz ist zu untersuchen, inwieweit beim Modellieren biologisches Fachwissen für abduktives Schließen bei der Herstellung eines Modells dabei hilft, in eine deduktive Modellanwendung überzuleiten.

Die Wirkung der Authentizität von Lernort und Laborgeräten auf das situationale Interesse und die Relevanzwahrnehmung beim Besuch eines naturwissenschaftlichen Schülerlabors

ZusammenfassungAls besonderes Merkmal von Schülerlaboren, die u. a. das Interesse an Naturwissenschaften fördern sollen, wird häufig die Authentizität der Lernumgebung genannt. Allerdings besteht Klärungsbedarf, welche Gestaltungsaspekte von authentischen Lernsettings interesseförderlich wirken. Die Faktoren Authentizität des Lernorts und Echtheit der Laborgeräte standen daher bei der hier beschriebenen quasi-experimentellen Interventionsstudie im 2 × 2-faktoriellen Design im Vordergrund. Untersucht wurde die Wirkung dieser Faktoren auf das situationale Interesse sowie auf die subjektiv wahrgenommene inhaltliche Relevanz und die wahrgenommene Authentizität der Laborgeräte beim Besuch eines forschungsnahen, naturwissenschaftlichen Schülerlabors. Dazu wurde ein Workshop zur Infrarotfernerkundung entwickelt und mit insgesamt 166 Schüler*innen der zehnten Klasse an unterschiedlich authentischen Lernorten (Schülerlabor vs. Schule) durchgeführt. Kontrastierend kamen an beiden Orten echte High-End-Laborgeräte, die im Allgemeinen nur Forschungseinrichtungen zur Verfügung stehen, bzw. vereinfachte, für Schulen verfügbare, weniger authentische Low-Cost-Geräte zum Einsatz. Die Arbeit mit den echten Laborgeräten führte unabhängig vom Lernort zu einer stärkeren Authentizitätswahrnehmung. Die Wahrnehmung inhaltlicher Relevanz hingegen war unabhängig von den Laborgeräten und wurde am authentischen Lernort signifikant höher bewertet als in der Schule. Das situationale epistemische Interesse war in der Gruppe am größten ausgeprägt, die am authentischen Lernort mit echten Laborgeräten arbeiten konnte.

Angebot, Nutzung und Ertrag von Konzeptwechseltexten zu Neuromythen bei angehenden Biologielehrkräften

ZusammenfassungLehrkräftebildung hat das Ziel, Studierende zu Fachleuten für das Lehren und Lernen auszubilden. Empirische Studien zeigen jedoch sowohl bei angehenden als auch praktizierenden Lehrkräften eine hohe Zustimmung zu Fehlvorstellungen zum Thema Gehirn und Lernen – sogenannten Neuromythen. In der vorliegenden Studie wird in einem Mixed-Model-Design (N = 40) mit quantitativen und qualitativen Forschungsmethoden und vor dem theoretischen Hintergrund eines Angebots-Nutzungs-Modells untersucht, inwiefern sich durch eine universitäre Lehrveranstaltung mit Konzeptwechseltexten die Zustimmung angehender Biologielehrkräfte zu Neuromythen verändern lässt. Dazu wurde ein Seminar entwickelt und durchgeführt, in dem neun Konzeptwechseltexte eingesetzt wurden. Quantitative Daten wurden zu drei Messzeitpunkten mittels Fragebogen erhoben, qualitative Daten semesterbegleitend mittels offener Aufgaben zu Konzeptwechseltexten. Durch die systematische Verschränkung der Daten wurden Gelingensbedingungen für den Ertrag des Lernangebots geprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass angehende Biologielehrkräfte Neuromythen nicht nur zustimmen, sondern fachlich nicht angemessene und subjektiv-biografische Argumente für Neuromythen nennen. Trotz identifizierter Optimierungsmöglichkeiten bei Angebot und Nutzung der Konzeptwechseltexte für/durch die Studierenden zeigen die quantitativen Ergebnisse, dass sich die Zustimmung zu Neuromythen durch das Seminar mit Konzeptwechseltexten nachhaltig und mit mittleren bis hohen Effektstärken reduzieren lässt. Die qualitativen Ergebnisse zeigen, dass die Argumente angehender Lehrkräfte für Neuromythen breit gestreut sind und nur zu 37–76 % mit den Inhalten der konzipierten Konzeptwechseltexte übereinstimmen. Die Nachbereitung der Konzeptwechseltexte durch die Studierenden verblieb in vielen Fällen auf niedrigem Niveau. Passung des Lehr-Lern-Materials sowie Nachbereitungsniveau erwiesen sich jedoch nicht als Gelingensbedingungen für den Ertrag des Lernangebots. Insgesamt stützen die Ergebnisse, dass das Aufgreifen und Reflektieren von Fehlvorstellungen eine gewinnbringende Perspektive für die Lehrkräftebildung darstellt.

Studienerfolg von Fachstudierenden im Anfangsstudium der Biologie

ZusammenfassungBesonders in den naturwissenschaftlichen Studiengängen brechen viele Studierende ihr Studium ab. Bislang war ein Studium der Biologie davon eher weniger betroffen. In den letzten Jahren zeichnet sich für Deutschland auch im Bachelorstudium Biologie der Trend einer steigenden Studienabbruchsquote ab. Empirisch begründete Studienberatungen und fundierte Unterstützungsangebote könnten hier geeignete Maßnahmen sein. Die individuellen Voraussetzungen wie Noten, soziodemographische und motivationale Faktoren, Fachwissen, sowie die Lebens- und Studienbedingungen und das Studier- und Lernverhalten (z. B. Lernstrategien und -motivation) sind relevante Faktoren für den Studienerfolg. Bislang fehlen für das Biologiestudium in Deutschland allerdings weitgehend Untersuchungen hierzu. Daher prüft diese Studie schulisches und universitäres Wissen sowie Lernstrategien als Erfolgsprädiktoren für den Studienerfolg im biologiebezogenen Anfangsstudium, da diese geeignet erscheinen in der kritischen Phase des Studienbeginns mögliche Präventionsmaßnahmen abzuleiten. Die Ergebnisse legen nahe, dass auch über den üblicherweise starken Prädiktor der Abiturnote hinaus universitäres Fachwissen, Zeitmanagement und Anstrengung den Studienerfolg in Biologie vorhersagen. Auf Basis dieser Ergebnisse lassen sich universitäre Maßnahmen ableiten, die potenziell zu einer Reduzierung des Studienabbruchs beitragen könnten.