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Erfassung und Entwicklung von Systemkompetenz – Empirische Befunde zu Kompetenzstruktur und Förderbarkeit durch den Einsatz analoger und digitaler Modelle im Kontext raumwirksamer Mensch-Umwelt-Beziehungen

Measurement and development of systems thinking in the context of spatial human-environmental relations – empirical findings regarding the structure of system competence and its promotion by means of analogue and digital models

  • Die Herausforderungen im Kontext des globalen Klimawandels und der planetaren Grenzen des Systems Erde lassen die grundlegende Bedeutung von Systemkompetenz zur Analyse und Bewältigung komplexer dynamischer Probleme deutlich werden. Die notwendigen Schritte zur Erreichung der globalen Nachhaltigkeitsziele setzen eine raumbezogene Handlungskompetenz aller beteiligten Akteure voraus, die maßgeblich auf einer vernetzten Einsicht in die Zusammenhänge von natürlichen und gesellschaftlichen Systemen beruht. Aus didaktischer Sicht steht in der vorliegenden Studie daher die Forschungsfrage im Vordergrund, auf welche Weise die Systemkompetenz von Jugendlichen im Kontext raumwirksamer Mensch-Umwelt-Beziehungen bestmöglich gefördert werden kann. Den thematischen Rahmen der Arbeit bildet das Phänomen der Bodenerosion im Kontext des Klimawandels. Neben den bereits heute gegebenen Risiken und Gefährdungen ist hierbei durch die im Klimawandel zu erwartende Häufung von Starkniederschlagsereignissen und die jahreszeitliche Veränderung der Bodenfeuchteverhältnisse eine Verschärfung des Gefährdungspotenzials für landwirtschaftlich genutzte Böden wahrscheinlich. Das in Bezug auf das lebensweltliche Umfeld der Jugendlichen erarbeitete Phänomen steht daher stellvertretend für komplexe und dynamische Mensch-Umwelt-Systeme. Ausgehend von einem naturwissenschaftlich geprägten Systemverständnis und dem Bestreben der Systemwissenschaft, komplexe Systeme modellhaft zu erfassen, rückt die Modellbildung auch in der Frage nach gewinnbringenden methodisch-didaktischen Ansätzen zur Förderung des systemischen Denkens in den Mittelpunkt des Interesses. Aus dem Nebeneinander von konkret-gegenständlichen Modellen und Computersimulationen als rechnergestützten Verfahren der Modellierung leitet sich die für die vorliegende Studie zentrale Forschungsfrage ab, welches Potenzial diese Methoden einzeln oder in Kombination in Bezug auf die Förderung von Systemkompetenz von SuS besitzen. Zur Lernwirksamkeit unterschiedlicher methodisch-medialer Settings liegen dabei verschiedene, in ihren Ergebnissen heterogene und zum Teil widersprüchliche Forschungsarbeiten vor. Bei vielen Studien wurden analoge und digitale Medien und Methoden gegenübergestellt, jedoch nicht kombiniert (z. B. Edsall & Wentz 2007), bei anderen wies die kombinierte Intervention eine längere Zeitdauer auf als die vergleichend eingesetzte Computersimulation (z. B. Rieß & Mischo 2008). Vor dem Hintergrund dieses Forschungsstandes untersucht die hier vorgestellte empirische Vergleichsstudie im experimentellen Prä-Post-Test-Design die Veränderung der kontextuellen Systemkompetenz von SuS durch Einsatz (1) eines analogen Bodenerosionsmodells (= Modell), (2) eines digitalen Bodenerosionsmodells (= Simulation) bzw. (3) einer Kombination beider Zugänge, bei jeweils gleicher Zeitdauer der Interventionen. Zur Frage der Dimensionalität und Messung des Konstruktes „Systemkompetenz“ liegen im Kontext raumwirksamer Mensch-Umwelt-Beziehung eine Reihe theorie- bzw. evidenzbasierter Erkenntnisse vor (vgl. z. B. Mehren u. a. 2018; Rieß u. a. 2015; Viehrig u. a. 2017), die sich jedoch in Teilen kontrovers gegenüberstehen. Den konzeptionellen Bezugsrahmen der Forschungsarbeit bildet hierbei das im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts SysThema von Rieß u. a. (2015) entwickelte heuristische „Freiburger Kompetenzstrukturmodell zum systemischen Denken“ mit besonderer Schwerpunktsetzung auf der Systemmodellierung. Für die vier in diesem Kompetenzmodell ausgewiesenen Dimensionen A: „Systemtheoretisches Grundwissen (Deklaratives/konzeptuelles systemisches Wissen)“, B: „Systemelemente und Wechselwirkungen identifizieren, abbilden und interpretieren (Systemmodellierungsfähigkeit)“, C: „Mittels Systemmodellen Erklärungen geben, Prognosen treffen und Strategien entwerfen (Fähigkeit zur Nutzung von Systemmodellen beim Lösen von komplexen dynamischen Problemen)“ sowie D: „Gültigkeit und Vorhersageunsicherheit von Systemmodellen bestimmen (Bewertung von Systemmodellen und Ergebnissen der Modellanwendung)“ werden Testitems mit Bezug zum Themenfeld Bodenerosion entwickelt. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Pilotierungsstudie (n = 78 SuS, vgl. Brockmüller u. a. 2016a,b) kann in der Hauptstudie (n = 203 SuS der gymnasialen Klassenstufen 10 bis 12) die Validität des überarbeiteten Systemkompetenztests durch eine substanzielle Übereinstimmung der inhaltlichen Expertenratings (Fleiss’ κ 0,79) sowie eine akzeptable interne Konsistenz der vier Skalen (Cronbachs α A: 0,54, B: 0,78, C: 0,70, D: 0,78) belegt werden. Strukturentdeckende statistische Verfahren (exploratorische Faktorenanalyse) lassen auf vier zugrunde liegende Faktoren schließen. Auch bei Anwendung der strukturbestätigenden konfirmatorischen Faktorenanalyse kann die Modellpassung des vierdimensionalen Modells anhand von statistischen Modellgütekriterien bestätigt werden. Auf Grundlage eines Strukturgleichungsmodells (konfirmatorische Faktorenanalyse zweiter Ordnung) können schließlich die Korrelationen zwischen den Kompetenzdimensionen auf ein übergeordnetes Gesamtkonstrukt im Sinne von Systemkompetenz zurückgeführt werden. Die heuristischen Annahmen einer vierdimensionalen Kompetenzstruktur zum systemischen Denken nach Rieß u. a. (2015) können somit auf Grundlage des Datensatzes der vorliegenden Studie empirisch fundiert werden. Ein im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts GeoSysKo theoretisch hergeleitetes und empirisch überprüftes Kompetenzstruktur- und -stufenmodell (vgl. auch Mehren u. a. 2018) umfasst zwei Dimensionen, die als „Systemorganisation und Systemverhalten“ sowie „Systemadäquate Handlungsintention“ ausgewiesen sind. Im Abgleich der beiden Modelle wird zunächst deutlich, dass sich diese mit den o. g. Dimensionen B und C weitgehend decken. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie machen unter Beachtung der erreichten Modellgütemaße darüberhinausgehend die zusätzliche inhaltliche Bedeutung der Theorie- sowie der Reflexionsebene (Dimensionen A und D) für das Konstrukt Systemkompetenz deutlich. Zur Untersuchung des Potenzials eines Einsatzes von analogen und digitalen Modellen und einer Kombination beider Methoden zur Förderung der auf diese Weise ausdifferenzierten Systemkompetenz wird die Stichprobe der Hauptstudie varianzanalytisch analysiert, um so u. a. der Forschungsfrage nachzugehen, ob statistisch bedeutsame Gruppenunterschiede zwischen den beiden Messzeitpunkten vor bzw. nach der Intervention bestehen. Dabei zeigt sich, dass der Mittelwert der über alle vier Dimensionen hinweg mit einem Gesamtscore erfassten Systemkompetenz in der Gruppe, die eine kombinierte analoge und digitale Intervention durchlaufen hat, statistisch signifikant höher liegt als in der Gruppe mit reiner Computersimulation (p = 0,024, bei kleiner Effektgröße Cohens f von 0,1). Bezüglich der vier einzelnen Systemkompetenz-Dimensionen zeigt sich, dass dieser Effekt in der Dimension B am deutlichsten ausgeprägt ist. Die Gruppe mit reiner Computersimulation erzielt in allen vier Dimensionen die niedrigsten Mittelwerte, während die Gruppe mit rein analogem Modelleinsatz in den Dimensionen B und C ähnlich niedrige Mittelwerte erzielt, in den Dimensionen A und D dagegen jedoch sogar die höchsten Mittelwerte erreicht. Mit Motivation und Lernstil werden weitere mögliche Einflussfaktoren auf den Kompetenzerwerb in der Studie berücksichtigt, deren Interaktionseffekte mit den drei Interventionsgruppen jedoch nicht statistisch signifikant ausfallen. In der Gesamtschau liefern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit neben einem theoretischen Beitrag zur Entschlüsselung der Struktur von Systemkompetenz im Kontext raumwirksamer Mensch-Umwelt-Beziehungen insbesondere auch unterrichtspraktische Hinweise zur Systemkompetenzentwicklung. Die am Beispiel Bodenerosion exemplarisch untersuchte Kombination analoger und digitaler Modelle erreicht bei gleichem unterrichtlichem Zeitaufwand einen bedeutsam höheren Beitrag zur Förderung von Systemkompetenz, sodass sie dem jeweils isolierten Einsatz der einen oder anderen Methode evidenzbasiert vorgezogen werden kann.
  • The challenges within the context of global climate change and the planetary boundaries of the earth system reveal the relevance of systems thinking for analysing and solving complex and dynamic issues. Reaching the global sustainability goals requires a spatial capability to act of all participants that is based on interconnected insights into the coherences of natural and social systems. Therefore, it is crucial to identify methods to foster system competence, or systems thinking of young people within the context of human-environmental relations. Thematic framework is the phenomenon of soil erosion in the context of climate change. Alongside the risks and hazards already given today there is an increasing hazard potential for agricultural soil due to the anticipated rising frequency of intense precipitation events as well as seasonal changes in ground humidity due to climate change. The outlined phenomenon is elaborated in relation to the living environment of the young and represents a complex and dynamic human-environmental system. Based on a scientific understanding of systems and the effort of systems science to grasp complex systems exemplarily, modelling is brought into focus – as well as the question of advantageous methodological-didactic approaches to promote systems thinking. Resulting from the juxtaposition of analogue models and digital computer simulations, the research question of this study is the potential these methods reveal individually or in combination to promote systems thinking of high school students. There exist various heterogeneous and partly contradictory research works regarding the learning effectiveness of different methodical and medial settings. In several studies, analogue and digital media have been contrasted but not combined, in others the combined intervention took not the same time as the comparative computer simulation (e. g. Rieß & Mischo 2008). By means of pre-post design the here presented empirical comparison study examines the changes of the contextual systems thinking of students using (#1) an analogue soil erosion model, (#2) a digital soil erosion model (simulation), respectively (#3) a combination of both approaches with equal duration of each intervention. Concerning the questions of dimensionality and measurement of the construct of system competence there are several theory-based or evidence-based insights, albeit with to some extent opposing findings (see e. g. Mehren et al. 2018; Rieß et al. 2015; Viehrig et al. 2017). The presented study is based on the “Freiburg heuristic competence model of systems thinking” by Rieß et al. (2015) due to its prioritisation of system modelling. For each of the four dimensions presented within this competence model (A) “declarative/conceptual systems knowledge”, (B) “modelling systems”, (C) “solving problems using system models” as well as (D) “evaluation of system models”, test items are developed referring to the subject soil erosion. Based on the pilot study’s results (n = 78, see Brockmüller et al. 2016a,b), the validity of the revised systems thinking test is confirmed by a substantial accordance of the content-related ratings by experts (Fleiss’ κ 0.79) as well as an acceptable internal consistency of the four scales (Cronbachs α A: 0.54, B: 0.78, C: 0.70, D: 0.78). Statistical methods used to uncover data structures (exploratory factor analysis, EFA) imply four underlying factors. In addition, application of the confirmatory factor analysis (CFA) confirms a good model fit of the four-dimensional model by dint of several absolute and relative fit indices. Based on structural equation modelling (second-order confirmatory factor analysis), the correlations between the four dimensions of systems thinking can be traced to the “superordinate construct” system competence. Thus, the data set of the here presented study empirically supports the heuristic assumptions of a four-dimensional competence structure for systems thinking following Rieß et al. (2015). Another theoretically anchored and empirically validated competence model (see e. g. Mehren et al. 2018) includes two dimensions “system organisation and behaviour” and “system-adequate intention to act”. Those are comparable with dimensions B and C of the presented Freiburg model. The here presented study emphasizes the additional significance of the theory and reflection level (dimensions A and D) for the construct of system competence. To investigate the potential of the use of analogue and digital models and a combination of both methods in order to promote the systems thinking, analyses of variance (ANOVA) were carried out. The sample of the main study (n = 203) was analysed regarding statistically significant group differences before and after the three interventions. The mean value of system competence (recorded across all four dimensions with a total score) in the group that has experienced a combined analogue and digital intervention (#3), is significantly higher compared to the group with mere computer simulation (p = 0.024, with small effect size Cohens f of 0.1). This effect is most pronounced in dimension B. The group with mere computer simulation (#2) achieves the lowest mean values in all four dimensions, while the group with mere analogue model (#1) – comparable weak in dimensions B and C – achieves even highest mean values in dimensions A and D. Motivation and learning style, further observed influencing factors on systems thinking, show statistically non-substantial interaction effects with the three intervention groups. In summary, the results provide a theoretical contribution concerning the structure of system competence in context of spatial human-environmental relations. Besides, they provide support for classroom teaching regarding the development of students’ systems thinking. In the context of soil erosion, the combination of analogue and digital models contributes statistically significantly to promote system competence and thus is recommended for teaching practice.

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Metadaten
Author:Svenja Brockmüller
Publishing Institution:Pädagogische Hochschule Heidelberg
Granting Institution:Pädagogische Hochschule Heidelberg
Date of final exam:2019/05/28
DDC classes:900 Geschichte und Geografie
Tag:Erfassung; Förderbarkeit; Modelle; Simulation; Systemkompetenz
GND Keyword:Dissertation; Geografie; Kompetenz; Modell; System
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
URN:urn:nbn:de:bsz:he76-opus4-3400
Referee:Alexander Siegmund, Stephan Schuler
Advisor:Alexander Siegmund, Stephan Schuler
Year of Completion:2019
Release Date:2019/07/03
Pagenumber:xxiii, 319
Institutes:Fakultät für Natur- und Gesellschaftswissenschaften (Fak. III)
Licence (German):License LogoVeröffentlichungsvertrag ohne Print-on-Demand