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Digitale Luft- und Satellitenbilder in der Bildung für Nachhaltige Entwicklung - Eine empirische Untersuchung mit Kursstufenschüler/innen zur Wirksamkeit für die systemische Erschließung von Erdräumen am Beispiel des Braunkohleabbaus im Rheinland

  • Systemisches Denken im Kontext der Nachhaltigkeitsdimensionen gehört zu den zentralen Lernzielen und Gestaltungsprinzipien der Bildung für Nachhaltige Entwicklung (BNE) und des nachhaltigkeitsorientierten Geographieunterrichts. In diesem Rahmen zielt systemisches Denken darauf ab, Gegenstandsbereiche inhaltlich, räumlich und zeitlich in ihrem systemischen Wesen zu erfassen und ein entsprechendes mentales Systemmodell aufzubauen, das in den kognitiven Strukturen als Systemwissen festgehalten wird und sich über dieses z.B. mittels Concept Mapping externalisieren und damit für eine Analyse zugänglich machen lässt. Für die (Weiter-)Entwicklung des Systemmodells bedarf es der Aneignung von Systeminformationen, die aus einer Vielzahl von Informationsquellen stammen können. Im Geographieunterricht gehören u.a. (topographische) Karten zu den klassischen Medien für die systemische Erschließung von Erdräumen. In zunehmendem Maße gewinnen allerdings auch (digitale) Luft- und Satellitenbilder an Bedeutung. Obschon das Interesse von Lernenden an ihnen durchaus vorhanden ist, ihnen positive Eigenschaften und Wirkungen zugeschrieben werden und ihre unterrichtliche Bedeutung allgemein erkannt wird, dienen sie dennoch vielfach lediglich als visuelles Begleitmedium im Unterricht. Im Zentrum einer systemischen Erschließung von Erdräumen stehend kommen sie hingegen nur äußerst selten zum Einsatz. Vor dem Hintergrund der inhärenten Eigenschaften und Wirkungen stellt sich mit Blick auf die Förderung von Lehr-Lern-Prozessen in der schulischen BNE die bisher unerforschte Frage nach der Wirksamkeit ihrer visuellen Auswertung mit Blick auf die Anwendung von verschiedenen Fähigkeiten systemischen Denkens in der BNE, wenn grundlegende methodische Kenntnisse über sie vorhanden sind (Forschungsdesiderat). Um die Wirksamkeit explorativ zu untersuchen, ist in dieser Arbeit eine möglichst unterrichtsnahe Interventionseinheit zum nachhaltigkeitsrelevanten System des Braunkohleabbaus und seiner raumzeitlichen Auswirkungen auf die Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft entwickelt und im Zuge einer Pilotierung optimiert worden. Mittels Methodentrainings werden verschiedene Störvariablen kontrolliert bzw. grundlegende methodische Kenntnisse sichergestellt. Im Rahmen eines entdeckenlassenden Lernens haben 127 baden-württembergische Kursstufenschüler/innen der Untersuchungsgruppe (UG) digitale Luft- und Satellitenbilder weitestgehend selbstständig computerbasiert ausgewertet und die dabei generierten Systeminformationen unmittelbar in eine zuvor aus dem eigenen Systemvorwissen heraus konstruierte Concept Map eingearbeitet. Über den Vergleich der vorwissensbasierten Concept Map mit der modifizierten Variante wird auf die absolute Wirksamkeit der visuellen Auswertung geschlossen. Die von 108 Kursstufenschüler/innen parallel dazu ausgewerteten digitalen topographischen Karten dienen als Grundlage für die Modifikation der vorwissensbasiert konstruierten Concept Map in der Vergleichsgruppe (VG). Durch die direkte Gegenüberstellung der Concept-Map-Leistungen in beiden Testgruppen wird die relative Wirksamkeit der Luft- und Satellitenbilder ermittelt. Das in den Concept Maps repräsentierte Systemwissen wird über ein neu entwickeltes, semistrukturiertes Auswertungsschema für offen konstruierte/modifizierte CMs unter Abgleich mit einem von Bereichsexpert/innen unabhängig erstellten Referenznetz – teilweise von zwei Ratern parallel (Interrater-Vergleich) – bewertet, wobei die jeweiligen Ausprägungen auf inhaltlich-struktureller Ebene wie auf der Wertigkeitsebene über speziell gebildete quantitative Auswertungsgrößen erfasst werden, die als Indikatoren für die verschiedenen Fähigkeiten systemischen Denkens in der BNE herangezogen werden. Unabhängig von ungünstigen Verteilungseigenschaften wird die Ausprägung der Auswertungsgrößen in der jeweiligen Concept Map über die modernen Verfahren der robusten Statistik mit ihrer inhärenten α- und β-Fehler-Kontrolle bestimmt, wobei ein weitestgehend valider und reliabler Einblick in die Verhältnisse in und zwischen den beiden Testgruppen sowohl im getrimmten Gruppenmittel als auch im gesamten Bereich der Werteverteilung in den Testgruppen gewonnen wird. Der potenzielle Einfluss von verschiedenen Störvariablen wird in der Untersuchung per Fragebogen erhoben und anschließend (ko-)varianzanalytisch auf Effekte zwischen den Gruppen hin untersucht. Die Ergebnisse der robusten Auswertung der CM-Daten zeigen, dass es beiden Gruppen in der Intervention sowohl im getrimmten Gruppenmittel als auch in der Breite der Gruppen zu großen Teilen in einem signifikanten Maße gelungen ist, die eigene vorwissensbasierte Systemrepräsentation während der visuellen Auswertung der Luft- und Satellitenbilder (UG) bzw. der topographischen Karten (VG) quantitativ wie qualitativ zu verbessern und sich dabei dem unabhängigen Referenznetz sinngemäß anzunähern. Es liegen teilweise moderate bis große Effekte vor. Der unmittelbare Vergleich der Leistungsverbesserungen in beiden Testgruppen lässt erkennen, dass die Verbesserung seitens der UG etwas stärker ausgefallen ist. Im Bereich der Identifikation der Systemelemente und -prozesse liegt hier eine signifikant bessere Leistung bei der UG vor. Da sich keine Effekte zeigen, die eine andere Erklärung nahelegen, deutet sich insgesamt an, dass sich die Gruppendifferenz möglicherweise auf die Eigenschaften und Wirkungen der eingesetzten digitalen Luft- und Satellitenbilder zurückführen lässt. Die gewonnen Erkenntnisse sind aus verschiedenen Gründen mit Vorsicht zu betrachten, da sich bei der visuellen Auswertung bzw. beim Concept Mapping wahrscheinlich weitere Störvariablen bemerkbar gemacht haben, in deren Folge die wahre absolute Wirksamkeit beider Medien u.U. von der in dieser Arbeit empirisch geschlussfolgerten abweichen kann. Ungeachtet dessen sollten die eingesetzten Methoden und die gewonnen Erkenntnisse Relevanz für die schulische (BNE-)Praxis besitzen.
  • Systems thinking concentrating on the three dimensions of sustainability is one of the fundamental aims in and principles of teaching and learning in education for sustainable development (ESD). The same aim and principle plays a major role in geography lessons in German schools. Within the context of sustainability, systems thinking is about examining the complexity and dynamics of real world phenomena with regards to their content, spatiality and temporality. When thinking about systems, a mental model of the system is constructed in mind, which is retained as systems knowledge. Systems knowledge itself can be externalized, e.g. during an activity such as concept mapping, and, thus, become accessible for an analysis. The development of the systems model is based on the acquisition of systems information in the first place. Relevant systems information can be gathered from a variety of information carriers in general. With regards to geography lessons in school, (topographic) maps are often used for the exploration of systems located in a certain geographical area. Recently, (digital) aerial and satellite imagery becomes more and more important in teaching and learning, too. Students' interest in using this kind of imagery is comparatively high. Although their properties are commonly said to be favorable for learning processes, and albeit their potential for teaching and learning is known in general, (digital) aerial and satellite imagery is rarely applied beyond the stage of a concomitant medium. Being the main or single information carrier is a rare event in geography lessons. Given the inherent potential (digital) aerial and satellite imagery is said to offer in general, its effectiveness in terms of facilitating a stand-alone examination of a system when basic methodical knowledge about aerial and satellite imagery is given has never been explored to date. To explore the effectiveness in this study, a treatment unit has been developed focussing on the lignite mining in Western Germany and its impacts on the economy, environment and society. In a pilot study, the entire setting and design of the unit has been optimized to minimize the impacts of confounding variables. As another measure to control confounding variables, methodical trainings on different aspects of the treatment have been put into effect. One of those trainings is thought to guarantee basic methodical skills in analyzing (digital) aerial and satellite imagery. In the treatment group (TG), 127 11th and 12th grade pupils from schools located in the federal state of Baden-Württemberg, Germany took part in the computer-based treatment. At first, they have drawn a concept map about lignite mining exclusively based on their prior systems knowledge. Later on, this concept map has been modified while visually analyzing the digital aerial and satellite imagery on screen. Thus, the modified concept map represents the adjusted systems knowledge according to systems information gathered during the visual analysis. Comparing both concept maps gives an insight into how systems knowledge has changed during the intervention. Based on the extent to which both concept maps differ from each other, it is possible to draw a conclusion about the absolute effectiveness of the visual analysis. In the control group (CG), 108 pupils modified their concept map according to the systems information they could generate while analyzing digital topographic maps. Comparing the concept maps of both groups provides a better understanding of how effective the aerial and satellite image analysis is in relation to the topographic map analysis (relative effectiveness). All concept maps have been scored with regards to content and structure using a novel semi-structured scoring scheme for open-endedly constructed and modified concept maps, which compares each concept map with an independently drawn experts map. One quarter of the concept maps from each group has been scored by two raters independently. Based on qualitative and quantitative parameters of the systems knowledge represented in each concept map it is possible to draw a conclusion on how pupils' skills in systems thinking developed during the intervention. The statistical analysis of the parameters has been performed using modern robust estimation and hypothesis testing. Independent of sample properties that would have been disadvantageous to traditional analysis, many of the hypothesis tests performed in this study provide a largely valid and reliable insight into the conditions within and between the groups due to robust Type I and Type II error control. This is true for the typical or average value in each group (trimmed mean) as well as for the means in different sections (deciles) of the entire distribution of the values in and between the groups. The extent to which confounding variables, which have been surveyed by questionnaires, do have a moderating effect has been analyzed performing robust ANOVA and ANCOVA methods. The results of the robust statistical analysis of the concept map data reveal a significant improvement in most parameters during the intervention. This is true for both groups' trimmed mean as well as for the deciles. Effect sizes are moderate to large. Thus, the visual analysis of both, the digital aerial and satellite imagery on the one hand and the digital topographic maps on the other hand, are associated with quantitative as well as qualitative improvements in pupils' systems knowledge. The modified concept maps are also more related to the contents of the experts map. When compared to one other, the improvements of the TG are larger than the ones of the CG in certain areas. When it comes to the ability to identify elements and processes within the system for instance, a statistically significant difference is given. Since no effects have been detected which would suggest a different explanation, the difference between the groups' improvements seems to be attributable to the properties that are commonly said to be associated with aerial and satellite imagery. However, this finding has to be taken carefully since there are indications that several confounding variables, which have not been surveyed, may have influenced both, the visual analysis and the concept mapping. Thus, the absolute effectiveness of the aerial and satellite imagery as well as of the topographic maps may be different from the one being concluded based on the empirical results of this study. Nevertheless, the methods being used as well as the findings of this study may be of practical relevance for teaching and learning in geography lessons and ESD.

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Metadaten
Author:Markus Jahn
Publishing Institution:Pädagogische Hochschule Heidelberg
Granting Institution:Pädagogische Hochschule Heidelberg
Date of final exam:2019/12/12
DDC classes:900 Geschichte und Geografie
Tag:Geographie; Kursstufe; Robuste Statistik
GND Keyword:Bildung für Nachhaltige Entwicklung (BNE); Concept Mapping; Interventionsstudie; Luft- und Satellitenbilder; Systemisches Denken
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
URN:urn:nbn:de:bsz:he76-opus4-3652
Referee:Alexander Siegmund, Klaus-Dieter Hupke
Advisor:Alexander Siegmund
Year of Completion:2020
Release Date:2020/09/25
Pagenumber:507
Institutes:Fakultät für Natur- und Gesellschaftswissenschaften (Fak. III)
Licence (German):License LogoVeröffentlichungsvertrag mit Print-on-Demand