Fördermöglichkeiten experimenteller Fähigkeiten mithilfe einer Kombination von computerbasierten und realen Lernumgebungen : Ein Transferversuch vom Labor in den naturwissenschaftlichen Regelunterricht
Ausgangspunkt der Dissertation war, dass bislang keine Methode für den naturwissenschaftlichen Unterricht entwickelt wurde, mit der das Konglomerat an Teilkompetenzen experimenteller Fähigkeiten wie das Strategiewissen, das Strukturierungswissen und die Fachhandwerklichen Fähigkeiten in einer Experimentfolge vermittelt werden können. In der Forschung wurde die Förderung experimenteller Fähigkeiten mithilfe von zwei Methoden umgesetzt. Einerseits wurde versucht, experimentelle Fähigkeiten mithilfe von computerbasierten und andererseits mithilfe von realen Lernumgebungen an Schülerinnen und Schüler zu vermitteln (Nijoo & de Jong, 1993; Wichmann & Leutner, 2009; White & Frederiksen, 1998). Forschungsergebnisse weisen keine Unterschiede im Lernzuwachs der Schülerinnen und Schüler zwischen Gruppen die mit realen und Gruppen die mit computerbasierten Lernumgebungen gelernt haben auf (Triona & Klahr, 2003). Deswegen wurde die Forderung laut, nicht beide Lernumgebungsmedien gegeneinander zu vergleichen, sondern sie miteinander zu kombinieren (Jaakola, Nurmi, & Veermans, 2011; Rutten, van Jooligen, & van der Veen, 2012; Zacharia & Anderson, 2003). Eine Kombination beider Lernumgebungsmedien könnte die Vor- und Nachteile des jeweiligen Lernumgebungsmedium kompensieren (Olympiou, Zacharia, & de Jong, 2012). Die sich ergebende Fragestellung ist, wie eine solche Kombination gestaltet sein kann und ob es eine optimale Reihenfolge der Kombination von computerbasierter und realer Lernumgebung gibt. Diese Fragestellungen werden in der ersten empirischen Studie dieser Arbeit beantwortet.
272 Achtklässler am Gymnasium im Alter von durchschnittlich 13,3 Jahren wurden zufällig einer von vier Experimentalbedingungen zugeteilt. In allen Experimentalbedingungen kamen zwei Lernphasen aus dem Bereich der Physik (Auftrieb in Flüssigkeiten) zum Einsatz. Die erste Gruppe lernte in beiden Lernphasen an der computerbasierten Lernumgebung, die zweite Gruppe lernte in beiden Lernphasen an der realen Lernumgebung und die anderen beiden Gruppen lernten sowohl an der computerbasierten als auch an der realen Lernumgebung. Hierbei hat eine Gruppe mit der computerbasierten begonnen und anschließend an der realen Lernumgebung gelernt und bei der anderen Gruppe war die Reihenfolge umgekehrt. Abhängige Variablen waren die drei Teilkompetenzen experimenteller Fähigkeiten. Die Ergebnisse dieser Studie haben gezeigt, dass es möglich ist, das Konglomerat an Teilfähigkeiten experimenteller Fähigkeiten mit einer Kombination von computerbasierter und realer Lernumgebung zu fördern. Die Kombinationsreihenfolge, die den höchsten Lernzuwachs in Bezug auf experimentelle Fähigkeiten bei den Schülerinnen und Schülern erzielte war, zunächst an der computerbasierten und anschließend an der realen Lernumgebung zu arbeiten.
Dieses Ergebnis wurde genutzt, um die zweite Forschungsfrage dieser Arbeit zu beantworten. Diese ist, herauszufinden, ob die unter Laborbedingungen gewonnenen Ergebnisse in den naturwissenschaftlichen Regelunterricht transferiert werden können. Hierzu wurde eine zweite empirische Studie im Prä-/ Post-Design durchgeführt und die lernförderlichste Kombinationsreihenfolge wurde als Methode eingesetzt (Kombiniertes Förderprogramm). Es wurde eine Lehrerfortbildung entwickelt, in welcher das kombinierte Förderprogramm und Methoden naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen (beispielsweise experimentelle Fähigkeiten und die Bildungsstandards zur Erkenntnisgewinnung) gelehrt wurden. An der Studie haben 24 Gymnasial-Lehrpersonen, die in zwei Parallelklassen (Experimental- und Kontrollgruppe) der 8. Jahrgangsstufe Physik unterrichteten, sowie ihre insgesamt 1258 Schülerinnen und Schüler partizipiert. Zunächst sollten die Lehrpersonen eine Unterrichtsstunde mit der Kontrollgruppe (erste Klasse jeder Lehrperson) mit dem Lehrziel „Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen“ geben. Anschließend erhielten die Lehrpersonen die Lehrerfortbildung und abschließend sollten sie der Experimentalgruppe (zweite Klasse jeder Lehrperson) eine Unterrichtsstunde mit ebenfalls dem Lehrziel „Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen“ geben. Allerdings war die Vorgabe für die Unterrichtsstunde mit der Experimentalgruppe, dass die Lehrpersonen das Unterrichtsziel mit dem kombinierten Förderprogramm vermitteln. Die Ergebnisse, die im Prä-/ Post-Design erfasst und mithilfe eines 2-Ebenen-Regressionsmodells berechnet wurden, zeigen auf, dass die Schülerinnen und Schüler der Experimentalgruppen derjenigen Lehrpersonen, die das kombinierte Förderprogramm implementiert hatten, signifikant mehr Lernzuwachs in Bezug auf experimentelle Fähigkeiten aufgewiesen haben, als die restlichen Schülerinnen und Schüler.
Abschließend kann festgehalten werden, dass es möglich ist, dass Lernumgebungen, die lediglich unter laborartigen Bedingungen überprüft wurden, Einzug in den naturwissenschaftlichen Regelunterricht erhalten können. Die Schülerinnen und Schüler haben einen größeren Lernerfolg in Bezug auf experimentelle Fähigkeiten erreicht, wenn sie mit gestalteten Lernumgebungen gearbeitet haben, im Vergleich zum regulären Unterricht ihrer Lehrperson zu selbigem Thema.
The starting point of this thesis is that, so far, no method for the science classroom has been identified that increases all part competencies of experimental skills, such as strategy knowledge, structural knowledge and operating skills, at once. When thinking about fostering experimental skills, two methods have attracted research’s interest. While some studies focus on hands-on experiments (HO), others use computer-based learning environments (CB) (Nijoo & de Jong, 1993; Wichmann & Leutner, 2009; White & Frederiksen, 1998). Research, however, indicates no differences between groups that learned in HO or in CB learning environments (Triona & Klahr, 2003). Therefore, instead of comparing both, researchers suggest to combine them to foster learning (Jaakkola, Nurmi, & Veermans, 2011; Rutten, van Joolingen, & van der Veen, 2012; Zacharia & Anderson, 2003). A combination of both could offset the disadvantages of one learning environment and vice versa (Olympiou, Zacharia, & de Jong, 2012). This implies advantages especially with regard to the acquisition of self-regulatory abilities such as strategy knowledge and strategy application. The question that arises from this is how such a combination could look like and whether there is an optimal order of combination of CB and HO. These questions are the focus of the first empirical study of this thesis.
272 eighth graders with an average age of 13.3 years were randomly assigned to one of four experimental conditions. In all conditions, two learning phases in the domain of physics (buoyancy in fluids) took place consecutively. The first group learned with a computer-based environment both times (CBCB), the second with hands-on environments both times (HOHO), and in the other two groups, the environments varied (CBHO, HOCB). Dependent variables were all part competencies of experimental skills. The results show that it is possible to foster all part competencies of experimental skills with one combined method and the combination order that leads to the highest learning gains is learning first with CB and afterwards with HO.
This result was then applied to answer the second research aim of this thesis. That is, whether these findings, which were gathered under laboratory conditions, are transferrable to the real science classroom. Therefore, a second empirical study was conducted and the combination order (CBHO) was used as a method to increase all part competencies of experimental skills at once (combined fostering program). We conducted an in-service-teacher-training where the combined fostering program and scientific methods (i.e. experimental skills, science education standards and modes of scientific inquiry) were taught. Participants were 24 physics teachers with two parallel (control- and treatment-group) classes (in total: 1.258 eight graders). First, teachers had to give a lesson to their control-group-students (first class) with the aim “to teach scientific methods”, afterwards the in-service-teacher-training was given to the participating teachers and, finally, they held a lesson with their second class (treatment-group); again with the aim “to teach scientific methods”, but this time with the combined fostering program. The results, gathered in a pre-post-design and analyzed with a two-level regression model under correct computation of the standard errors, revealed that the treatment-group-students from teachers that implemented the combined program significantly outperformed the other student-groups on all used tests. Concluding, it can be stated that it is possible to implement learning environments that have only been trialed under laboratory conditions into the real science classroom. Students were better able to learn scientific methods with the designed learning environments.
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