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Scientific experimentation in the special needs schools for pupils with intellectual disabilities
(2022)
Naturwissenschaftliches Experimentieren im Förderschwerpunkt geistige Entwicklung: An Schulen mit dem Förderschwerpunkt geistige Entwicklung führen Schülerinnen und Schüler nur selten naturwissenschaftliche Experimente durch. Doch auch diese Schülerschaft kann mit adressatengerechten Lernmaterialien Experimente durchführen, deren Gestaltungskriterien in dieser Studie ermittelt werden. Zudem wird in der Studie erfasst, wie sich die Schülerinnen und Schüler über ein Schuljahr in ihrer experimentellen Kompetenz weiterentwickeln.
Lernen in Citizen Science
(2021)
Unsere Welt und die technischen und naturwissenschaftlichen Erkenntnisse verändern sich aktuell sehr schnell. Dies betrifft auch die naturwissenschaftliche Forschung und erfordert vermehrten Einsatz der Wissenschaftskommunikation und der Bildung. Ein Instrument der Wissenschaftskommunikation und eine Erweiterung des schulischen Unterrichts kann die Beteiligung von Freiwilligen bei wissenschaftlichen Arbeiten sein, welches auch als Citizen Science (CS) bezeichnet wird. CS Projekte erfreuen sich einer wachsenden Beliebtheit, unter anderem von Schulen (Burger, 2016). Dabei werden unter anderem die Förderung des Kontextwissens, der Scientific Literacy, der Umwelteinstellung und des –verhaltens versprochen (Peter et al., 2019). Interventionsstudien zu den Bildungspotentialen kommen jedoch zu unterschiedlichen Ergebnissen (Gommermann & Monroe, 2012; Turrini et al., 2018). Diese inkonsistenten Ergebnisse der Studien können auf die unterschiedliche Gestaltung der einzelnen evaluierten CS Projekte zurückgeführt werden. Es wird angenommen, dass Teilnehmende, die in mehr Schritten des wissenschaftlichen Prozesses eingebunden werden, ein größeres Bildungspotential haben, als Teilnehmende, die nur in wenige Schritte eingebunden werden (Burger, 2016; Shirk & Bonney, 2018). Bonney, Ballard et al. (2009) haben dazu ein dreistufiges Modell entwickelt. Das Modell wird unter anderem auch von Shirk et al. (2012) und Jordan et al. (2015) unterstützt, ist jedoch bezüglich der Lernwirksamkeit nicht empirisch überprüft (Edwards et al., 2018; Jordan et al., 2015). Deswegen schließt die Forschungsfrage dieser Studie hier an: Unter welchem Partizipationsansatz sind die Lerneffekte in einem CS Projekt am größten für Schülerinnen und Schüler? Um diese Frage zu beantworten, wurde ein CS Projekt mit drei Experimentalgruppen geplant und durchgeführt. Insgesamt nahmen 199 Schülerinnen und Schüler an dem Projekt teil. Innerhalb der Interventionsstudie wurden die Schülerinnen und Schüler zu drei Testzeitpunkten zur Umwelteinstellung und -verhalten, Nature of Science, Einstellung zur Wissenschaft und dem Kontextwissen befragt. Die Analysen über die Messzeitpunkte zeigen keine statistisch signifikanten Einflüsse der Experimentalgruppen auf die abhängigen Variablen. Jedoch ist die Teststärke bei allen Tests zu gering, um abschließende Aussagen über die Annahmen zu treffen. Wird jedoch die generelle Wirkung der Intervention betrachtet, zeigen sich signifikante Effekte auf alle Schülerinnen und Schüler, unter anderem steigt das Verständnis über Nature of Science. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Schlussfolgerungen von Phillips (2017), Phillips et al. (2019) und Del Bianco (2018) überein, die ebenfalls Zweifel an dem Modell von Bonney, Ballard et al. (2009) äußerten. Innerhalb dieses CS Projektes konnte sich keiner der drei Partizipationsansätze bezüglich des Bildungspotential für Schülerinnen und Schüler hervorheben lassen. Jedoch ist diese Studie unter anderem durch die geringe Teststärke limitiert und endgültige Aussagen bedürfen weiterer systematischer Forschung.
In der Biologie stellt das Zeichnen eine zentrale Arbeitstechnik dar. Viele Studien konnten auf einen positiven Effekt des Zeichnens für bestimmte Situationen hinweisen. Schülerinnen und Schüler müssen diese Technik jedoch zunächst erlernen. Hierbei können zahlreiche Schwierigkeiten auftreten, die die inhaltliche Auseinandersetzung gefährden. Jedoch wurden sowohl Schwierigkeiten im Umgang mit unterschiedlichen Repräsentationsformen als auch der Zeichenprozess bislang nur lückenhaft untersucht. Die Studie dieser Arbeit hat daher zum Ziel, (I) den Zeichenprozess auf der Ebene der Sichtstruktur zu beschreiben, (II) die manifesten Schwierigkeiten von Lernenden zu erfassen, auf die sie während der Konstruktion biologisch bedeutsamer Repräsentationsformen (Ablaufdiagramme, mikroskopische Zeichnungen) treffen, (III) und auf Grundlage der empirischen Befunde Schülertypen abzuleiten. Vor diesem Hintergrund waren 21 Schülerinnen und Schüler angehalten, jeweils ein Ablaufdiagramm auf Grundlage eines Texts und eine mikroskopische Zeichnung auf Grundlage eines Präparats zu konstruieren und dabei laut zu denken. Fragen zur Vorerfahrung sowie retrospektiv gestellte Fragen zum Vorgehen der Teilnehmenden umrahmten den videografisch dokumentierten Prozess. Die Ergebnisse zeigen, dass der Zeichenprozess mehr als zehn unterschiedliche Tätigkeiten umfassen kann, wobei die Kerntätigkeit des Zeichnens durchschnittlich nur rund ein Drittel des Prozesses ausmacht. Die Prozessstruktur zwischen Fällen variiert erheblich. Weiterhin konnten etwa 30 Schwierigkeiten bzw. Fehler identifiziert werden, die während der Konstruktion beider Repräsentationsformen auftreten. Diese können dabei sowohl einzelne als auch mehrere Tätigkeiten betreffen und zu Tätigkeitsabbrüchen führen. Schwierigkeiten stehen häufig in Verbindung mit Tätigkeiten, die außerhalb der Kerntätigkeit des Zeichnens liegen (z. B. Abgleich mit der Textgrundlage). Bezogen auf Ablaufdiagramme stellt das Verhältnis depiktional bzw. deskriptional dargestellter Textinformationen den Ausgangspunkt der Typisierung dar: Typ I: realistisch abbildend, II: alternierend abbildend und III: schriftorientiert abbildend. Für mikroskopische Zeichnungen war die Häufigkeit des Abgleichs mit dem Objekt grundlegend für die Typisierung: Typ I: oberflächlich abbildend, II: objektorientiert abbildend und III: undifferenziert detailliert abbildend. Die Studie liefert erstmals Kategoriensysteme, die es erlauben, die Prozessstruktur des Zeichnens sichtbar und zwischen Fällen vergleichbar zu machen sowie schwierigkeitsbezogenes Grundlagenwissen zur Konstruktion von Zeichnungen, basierend auf Texten und Beobachtungen. Die Übertragbarkeit der Befunde auf andere Repräsentationsformen ist an vielen Stellen denkbar. Die theoretisch fundierte Systematisierung von Schwierigkeiten kann von weiterführenden Untersuchungsansätze aufgegriffen werden und erlaubt die Verortung situationsangemessener Unterstützungsmaßnahmen.
Von November 2001 bis Dezember 2002 wurden 304 Grundwassermessstellen in Baden-Württemberg je zweimal faunistisch beprobt. Ebenso wurden Wasserproben zur Ermittlung der hydrochemischen Feldparameter entnommen. Dabei wurden 106 Tierarten gefunden, von denen 74 als stygophil oder stygobiont einzustufen sind. Mehr als 20 % der Messstellen waren unbesiedelt. Es wurden im Durchschnitt 2,3 Arten je Messstelle gefunden. Die meisten dieser Arten waren über das gesamte Gebiet verbreitet, nur etwa 20 waren in ihrer Verbreitung regional beschränkt. Vier Arten konnten nicht bestimmt werden und dürfen als bisher unbeschrieben gelten. Bemerkenswert ist der Einzelfund eines Syncariden der Familie Parabathynellidae, bei dem es sich um den Erstnachweis für diese Familie nördlich der Alpen und um eine neue, sehr ursprüngliche Art handelt. Mit zunehmender Tiefe wurde eine Abnahme der Artenzahl, Abundanz, Diversität und Besiedlungsfrequenz festgestellt, wobei diese Veränderungen unterhalb 20 m Tiefe sprunghaft erfolgten, wobei das oberflächennahe Grundwasser am dichtesten und artenreichsten besiedelt war. Die Zahl der tatsächlich vorkommenden, insbesondere der seltenen Arten, konnte vermutlich nicht annähernd erfasst werden. Die Zahl der in einer beliebigen Landschaftseinheit festgestellten Arten korrelierte linear mit der Zahl der untersuchten Messstellen. Auch konnten einige aus anderen Untersuchungen in Baden-Württemberg bekannte Arten nicht wiedergefunden werden. Dies weist darauf hin, dass die Zahl der im Untersuchungsgebiet lebenden Arten stark unterschätzt wurde. Eine starke Unterschätzung der Artenvielfalt im Grundwasser wird deswegen auch für die überwiegende Mehrzahl anderer grundwasserfaunistischer Studien angenommen. Die faunistischen Unterschiede zwischen den einzelnen Messstellen waren erheblich, was auf die große Heterogenität des Lebensraumes Grundwasser zurückzuführen ist. Eine Auswertung der Daten auf der Ebene der Einzelmessstellen und selbst auf der Ebene der Naturräume führte daher zu keinem Ergebnis. Ebenso wenig konnten deshalb Referenzzoozönosen beschrieben werden. Auf der nächst höheren Auswertungsebene, der Ebene der Naturraumgruppen zeigte die Fauna Verteilungsmuster, die sehr gut die geographischen Verhältnisse widerspiegeln, d. h. die faunistischen Ähnlichkeiten zwischen den Naturraumgruppen entsprachen annähernd auch ihrer räumlichen Lage zueinander. Auf dieser Auswertungsebene ergaben sich auch indirekte Zusammenhänge zwischen der Artengemeinschaft und der Landnutzung, der Leiterstruktur und der Nährstoffverfügbarkeit Fast alle Arten, die eine regional beschränkte Verbreitung aufwiesen, kamen im Einzugsgebiet des Rheins vor, waren jedoch in der Regel selten. Nur eine Art, Acanthocyclops gmeineri, wurde exklusiv im Donaueinzugsgebiet, an einer einzelnen Messstelle, gefunden. Ebenso waren auf Gemeinschaftsebene einzugsgebietsbedingte Verbreitungsmuster zu erkennen. Ein Einfluss der ehemaligen, voreiszeitlichen Flussgebietszugehörigkeit auf die Fauna konnte im Gebiet des Hochrheins, des Schwarzwaldes und des voralpinen Moor- und Hügellandes festgestellt werden: Diese Regionen, die heute dem Rheingebiet angehören, waren im Pliozän noch dem Flusseinzugsgebiet der Donau zugeordnet. Eine Reihe von Arten hat in diesen Regionen und im heutigen Donaueinzugsgebiet, also den Donau-Iller-Lechplatten und der Schwäbischen Alb, ihren Verbreitungsschwerpunkt. Wie oben bereits erwähnt, konnten die meisten regional begrenzten Arten im Rheineinzugsgebiet angetroffen werden. Nur eine Art konnte exklusiv für das rezente Donauflussgebiet festgestellt werden. Dieses Muster dürfte damit in Zusammenhang stehen, dass weite Teile des pliozänen oberen Donaueinzugsgebietes an das rezente Rheinsystem angegliedert wurden. So lassen sich drei Gruppen von Grundwassertieren unterscheiden: Arten des pliozänen Rheins, Arten der pliozänen Donau und nacheiszeitliche Wiederbesiedler mit einer landesweiter Verbreitung. Zusammenhänge zwischen der glazialen Vereisung und der rezenten Besiedlung des Grundwassers konnten nur insofern gefunden werden, als die meisten Arten als nacheiszeitliche Wiederbesiedler im gesamten Gebiet auftreten. Nur indirekte Zusammenhänge konnten zwischen der Besiedlung und der Art bzw. dem Chemismus der verschiedenen Grundwasserlandschaften gefunden werden. Als entscheidender Faktor für die Besiedlung erwies sich die hydraulische Leitfähigkeit. Diese überlagerte alle anderen Einflussgrößen, wie naturräumliche Gliederung, Hydrogeologie und Hydrographie. Danach konnten vier Gruppen unterschieden werden, von denen drei " Geringleiter, Lockergesteinsleiter und Kluftleiter - eindeutig voneinander zur trennen waren, während der Karst teilweise starke faunistische Ähnlichkeit mit den Lockergesteinsleitern aufwies. Große Ähnlichkeiten wurden zwischen den verschiedenen Lockergesteinsleitern festgestellt, so dass sie auch unter ökologischen Gesichtspunkten als einheitliche Gruppe aufgefasst werden können. Kluftleiter und Geringleiter waren in ihrer Besiedlung wesentlich heterogener als Karst- und Lockergesteinleiter. Um die Grundwassergemeinschaften bestimmter Landschaftseinheiten zu charakterisieren, erscheint es erforderlich, alle vorhandenen Aquifertypen der untersuchten Einheiten zu erfassen. Dabei sollte der Fokus nicht nur auf den Lockergesteinsleitern, sondern vor allem auch auf den Kluft- und Geringleitern liegen. Zwischen der faunistischen Besiedlung und natürlichen chemischen Stoffen und Parametern - einschließlich des Sauerstoffs " wurden keine direkten, signifikanten Zusammenhänge festgestellt. Korrelationen ergaben sich dagegen mit dem Nahrungsangebot, insbesondere der Menge an Detritus und toten Kleintieren (Aas). Daher ist davon auszugehen, dass das Auftreten von Grundwasserorganismen vor allem durch das Nahrungsangebot und weniger durch den Wasserchemismus beeinflusst wird. Das Nahrungsangebot seinerseits ist eine direkte Folge des hydrologischen Austausches, d. h. der Beeinflussung des Grundwassers durch Oberflächenwasser. Zur zukünftigen ökologischen Klassifizierung von Grundwasserlebensräumen wird ein hierarchisches, dreistufiges System, beginnend bei den geographischen, hydrographischen und naturräumlichen Verhältnissen über den Typ des Grundwasserleiters bis zum hydrologischen Austausch der Einzelstandorte diskutiert. Mit dem hydrologischen Austausch als zusätzliches Gliederungskriterium können die trophischen Verhältnisse mitberücksichtigt werden, die die kleinräumige Verteilung der Arten bestimmen.
In der vorliegenden Arbeit werden vom Autor entwickelte und in der Schulpraxis bzw. Lehrerausbildung erprobte Unterrichtskonzepte zum selbstständigen Wissens- und Könnenserwerb an Lernstationen und für den lehrerzentrierten Frontalunterricht für den Themenbereich "Photovoltaik" vorgestellt (siehe Anhang A, S. 147). Es wird mit dieser Arbeit ein Beitrag zur aktuellen Kompetenzforschung geleistet. Die wesentlichen Resultate sind: - Es wird gezeigt, dass die Legitimation der Unterrichtsthematik "Photovoltaik" aus gesellschaftlicher, bildungstheoretischer und fachdidaktischer Sicht begründbar ist. - Es wird nachgewiesen, dass das Teilchenmodell für die Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise der Solarzelle im Physikunterricht geeignet ist (Elementarisierung des Leitungsvorganges in Halbleitern). - Die Analysen der Vorerfahrungen der Schülerinnen und Schüler zur Photovoltaik lassen erkennen, dass diese phänomenologischer Natur sind. Über konkrete Vorkenntnisse zur Solarzelle verfügen die Schülerinnen und Schüler nicht. - Die empirischen Untersuchungen belegen, dass sowohl im Frontalunterricht als auch beim Lernen an Stationen ein großer Lernzuwachs nachweisbar ist. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Lernenden der 10. und 11. Klasse in der Lage sind, sich neues Wissen und Können anzueignen (Abschnitt 6.2, S. 94). - Die empirischen Untersuchungen weisen nach, dass die Urteilsfähigkeit der Schülerinnen und Schüler (Kompetenz: Bewertung) im Nachtest signifikant überzeugender (Nutzung von wissenschaftlich gesicherten Argumenten) ist als im Vortest (Abschnitt 6.4, S. 101). - Die Aufgabenstellungen der einzelnen Stationen wurden hinsichtlich der Kompetenzanforderungen vom Autor und von Experten analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Zuordnung der Aufgabenstellungen zu den vier Kompetenzbereichen (Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung) von den meisten Experten einheitlich erfolgt. Große Unterschiede treten bei der Zuordnung der Aufgabenstellungen zu den Auforderungsbereichen auf. Die Hauptursachen sieht der Autor in den unzureichenden Erläuterungen der Bildungsstandards zu den Auforderungsbereichen und den Erfahrungen der Experten bei der Bewertung von Kompetenzen (Abschnitt 7.4, S. 120).
Im schulischen Kontext wird dem Prozess der Erkenntnisgewinnung in eigenverantwortlichen Lernprozessen immer mehr Bedeutung beigemessen. Experimentelles Arbeiten wird in den nationalen Bildungsstandards als Prozess beschrieben, welcher vier Teil-schritte durchläuft: (1) Fragestellung entwickeln, (2) Experimente durchführen, (3) Daten notieren und (4) Schlussfolgerung ziehen [1]. In der fachdidaktischen Forschung gibt es bisher keine Untersuchungen, die explizit den Teilschritt der Datenaufnahme und dessen Bedeutung behandeln.
In dieser Arbeit werden die unterschiedlichen Definitionen der naturwissenschaftlichen Protokollformen voneinander abgegrenzt sowie im Rahmen von drei Teilstudien die Bedeutung des Protokollierens für die Lernwirksamkeit untersucht. Zusätzlich wird eine Auswertungsmethode für die Qualität von Erarbeitungsprotokollen vorgestellt.
Das Just-in-Time - Verfahren ist ein neues Unterrichtskonzept aus den USA (auch in D. schon z.T. eingesetzt), bei dem ein oder zwei Tage vor der Unterrichtsstunde Fragen hauptsächlich zu qualitativem und konzeptuellem Verständnis an die SchülerInnen gestellt und von diesen per eMail beantwortet werden. Aus den Lösungen wird dann von der Lehrkraft eine Folie mit falschen und richtigen Vorschlägen erstellt (i.a. anonym), die dann in der Klasse diskutiert werden. Die besonderen Vorteile des Verfahrens sind: Adaptiver Unterricht mit kurzfristiger ("just-in-time") Reaktionsmöglichkeit auf Präkonzepte und andere Lernschwierigkeiten; Förderung der Selbsttätigkeit und Eigenverantwortung für die eingesendeten Beiträge; Schaffung einer schriftlichen (eMail-Beitrag) und mündlichen (Diskussion) Gelegenheit zur Spracharbeit an fachlichen Inhalten. Das Lernarrangement Die über Webspace verfügende Lehrkraft lädt eine themenrelevante Aufgabe ins Internet. Diese Aufgabe ist von den SchülerInnen ihres Kurses am Computer zu Hause zu bearbeiten; die Bearbeitung wird über ein Formularfenster als Mail an die Lehr-kraft gesendet. Mit den Statements ihrer SchülerInnen im Kopf begibt sich die Lehrkraft nun an die Planung der folgenden Unterrichtsstunde: Insbesondere werden die interessantesten Statements auf TLP-Folie kopiert . Sie bilden den roten Faden der in Planung befindlichen Unterrichtsstunde. Die Schülerantworten sind also zum einen Planungsgrundlage für die folgende Unterrichtsstunde, zum anderen werden sie zu einem besonderen Unterrichtsmedium des JiTT-Verfahrens (Folie o.ä. mit den interessantesten Statements). Der Unterrichtsverlauf enthält Phasen, in denen die Schüleraussagen gelesen, erörtert und diskutiert werden sowie Phasen, in denen die Gruppe mit üblichen Unterrichtsmedien und -methoden (Arbeitsblätter, Versuche) arbeitet. Im Idealfalle reduziert sich die Rolle des Lehrers in der Diskussionsphase auf die eines Moderators. Fachdidaktische und instruktionspsychologische Begründung JiTT kann als besondere Form des Adaptiven Unterrichts aufgefasst werden: Der Lehrkraft ist es möglich, insbesondere auf vorhandene Präkonzepte und andere Lernschwierigkeiten in adäquater Form zu reagieren und ihren Unterricht zu gestalten. Das Verfahren kann des weiteren auf der Ebene der Motivation wirksam sein, indem Selbstbestimmung (Mitgestaltung des Unterrichtes!) und soziale Einbindung (Diskussion der Schülerbeiträge in der Gruppe!) in besonderer Weise gefördert und gefordert werden. Selbstbestimmung und soziale Einbindung sind aber (zusammen mit Kompetenz) Hauptfaktoren in einer der führenden Theorien der Motivationspsychologie (Selbstbestimmungstheorie nach DECI & RYAN). Bemerkungen zum Design der Feldstudie In den Hauptteil der Feldstudie des Projektes zur Evaluation des Verfahrens waren zwei Physik-Leistungskurse eines rheinland-pfälzischen Gymnasiums (Teilgebiete "Mechanik" und "Elektrodynamik") eingebunden, ein Ergänzungsteil wurde im Rahmen einer Mechanik-Vorlesung des Lehramtsstudiums Physik an einer rheinland-pfälzischen Universität realisiert. Das erhobene Datenmaterial wurde insbesondere mit Hilfe des Verfahrens der multivariaten, hierarchischen Regressionsanalyse evaluiert. Ergebnis der Feldstudie und Diskussion Ein relevanter Effekt des JiTT-Verfahrens auf die Performanz der Lernenden kann nicht nachgewiesen werden. Im Hinblick auf mögliche Erklärungsmuster erscheinen folgende Aspekte von Bedeutung: Im Zuge der adäquaten Berücksichtigung von Schülervorstellungen ist es ausreichend, die "Mainstream-Päkonzepte" der Lernenden zu kennen. Detaillierte-res Wissen führt zu keinem signifikant erfolgreicheren Unterricht; Die vergleichsweise offen gestalteten JiTT-Phasen des Unterrichts scheinen insbesondere die leistungsschwächeren Lernenden zu überfordern; Ein eventuell doch vorhandener, auf JiTT zurückführbarer Einfluss auf die Performanz wird durch die Effizienz des im Unterricht eingesetzten methodischen Werkzeugs der Modellbildung überdeckt. Im Hinblick auf die motivationalen Einstellungen der Lernenden erscheint bemer-kenswert, dass man in JiTT zwar durchaus eine Bereicherung für den Unterricht sieht, dem gewachsenen zeitlichen Druck sowie den erweiterten Kontrollmöglichkeiten seitens der Lehrkraft jedoch kritisch gegenübersteht. Somit ist zweifelhaft, ob es durch den Einsatz des Verfahrens tatsächlich zu einer Verstärkung der autonom regulierten Varianten der Motivation kommt.