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Es ist aus ökonomischer und gesellschaftlicher Perspektive wichtig, dass es eine hohe Anzahl an Absolvent:innen von Ingenieurstudiengängen gibt. Studierende eines ingenieurswissenschaftlichen Studiums müssen sich einer Reihe von Herausforderungen, wie zum Beispiel den Mathematikvorlesungen im Grundstudium, stellen. Mathematik bildet eine wichtige Grundvoraussetzung für angehende Ingenieur:innen dar. Eine Erklärung für die Schwierigkeiten der Studierenden in den Mathematikvorlesungen kann die Art und Weise sein, wie Mathematikvorlesungen bisher gestaltet sind. Es gibt eine Vielzahl an Innovationen, die die Lehre, nicht nur speziell für Mathematik, verbessern soll. eduScrum als ein Lehr-/Lernvorhaben, das agiles Projektmanagement und Bildung zusammenbringt, wirkt vielversprechend, um die Lernenden darin zu bestärken, selbstständig und reflektiert ihren Lernprozess zu gestalten, sodass sie ihre Mathematikvorlesungen und auch das Studium erfolgreich absolvieren. Die vorliegende Dissertation soll dazu beitragen, wie eduScrum an Hochschulen der Angewandten Wissenschaften in Mathematikvorlesungen implementiert werden kann und welche Effekte eduScrum auf die Studierenden haben kann, um so den Studienerfolg von (Ingenieurs-)Studierenden in der Mathematik-Hochschullehre zu fördern.
In der ersten Studie wurde das Konzept eduScrum, das bisher im schulischen Kontext angewendet wurde, auf Mathematikvorlesungen für Ingenieur:innen an Hochschulen für Angewandte Wissenschaften adaptiert. Über fünf Semester wurde das Konzept eduScrum@HSMA entwickelt. Besonders in der Pilotierung des Konzepts wurden spezielle Beobachtungsstudien durchgeführt und Fragebögen erhoben, um sowohl das Lernmaterial als auch den Prozess von eduScrum@HSMA an die Bedürfnisse der Studierenden anzupassen.
In der zweiten Studie wurde das Konzept eduScrum@HSMA für Mathematikvorlesungen hinsichtlich seiner Effekte auf die Lernstrategien, Motivation, Einstellung zur Mathematik, Leistung und Akzeptanz untersucht, die als Schlüssel für den Studienerfolg gesehen werden können. In einer randomisierten Studie mit zwei Versuchsgruppen besuchte die Experimentalgruppe Mathematikvorlesungen mit eduScrum@HSMA und die Kontrollgruppe klassische Mathematikvorlesungen mit identischen Inhalten. Die Zuteilung zu diesen Gruppen erfolgte dabei anhand der Matrikelnummer. Auf der Basis von Selbstbeurteilungen wurden für alle genannten Konstrukte Veränderungen im Laufe der Mathematikvorlesungen anhand von Vergleichen der Versuchsgruppen sowie innerhalb der jeweiligen Versuchsgruppen erforscht.
Zusammenfassend bietet die vorliegende Dissertation wichtige Einblicke in die Nutzung und in die Effekte von eduScrum bei Ingenieursstudierenden in Mathematikvorlesungen an Hochschulen, was eine wertvolle Grundlage für weitere Forschung und die Entwicklung von optimalen Unterstützungsmöglichkeiten für Studierende aller Studiengängen im Bereich der Lehre, insbesondere der Mathematiklehre, darstellt.
Die herkömmliche Gestaltung der traditionellen Lernsituation Vorlesung in Form von monothematischen Vorträgen über einen Zeitraum von 90 Minuten Dauer lässt sich durch den Einsatz verschiedener Methoden verändern und damit an die Bedürfnisse von Studierenden als Zielgruppe guter Lehre anpassen. So ermöglicht z. B. der zeitliche Freiraum in der Präsenzveranstaltung des Modells Flipped Classroom die Durchführung von Spielen in der Vorlesung zur Motivation und Aktivierung der Studierenden.
Mit der vorliegenden Dissertation soll ein hochschuldidaktischer Beitrag zur Verbesserung der Lehre geleistet werden, indem Spiele als Methode in der Vorlesung eingesetzt und mit einem mehrdimensionalen Ansatz aus Experteninterviews mit Lehrenden und Studierenden, schriftlichen Studierendenbefragungen sowie Beobachtungen untersucht werden. Die Kombination aus qualitativen und quantitativen Methoden zur Datenerhebung sowie die Auswertung mit Hilfe der Verfahren der Grounded Theory sowie statistischer Methoden wurden gewählt, um das Thema aus verschiedenen Perspektiven zu beleuchten und aus den Resultaten der Untersuchung eine Theorie zum Einsatz von Spielen in der Vorlesung zu entwickeln. Aus den theoretischen methodisch-didaktischen Überlegungen und empirischen Befunden wurde eine Handlungsempfehlung mit Entwurfsmustern von Spielvorschlägen für den Einsatz in der Vorlesung abgeleitet, von Hochschullehrenden evaluiert und in der Praxis erprobt.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass verschiedene Bedingungen erfüllt sein müssen, um Hörsaalspiele erfolgreich in der Lehrveranstaltung durchzuführen. Zu diesen Voraussetzungen zählen z. B. ein thematischer Bezug zwischen Vorlesung und Spiel, erkennbarer Sinn und Nutzen für die Lehr- und Lerntätigkeit sowie die Art der Aufgabenstellungen, welche Möglichkeiten zur freiwilligen Mitarbeit der Studierenden in der Sozialform Gruppenarbeit bieten sollen, während der ergänzende Einsatz von mobilen digitalen Medien zur Unterstützung der Hörsaalspiele aus Sicht der Studierenden eher in den Hintergrund rückt.
Diese Forschungsarbeit richtet sich an Hochschullehrende, die Studierende in den Mittelpunkt ihrer Lehre stellen und die Gestaltung der traditionellen Vorlesung mit Hilfe von Spielen verändern wollen, um damit das Lernen zu erleichtern. Der entwickelte Leitfaden für den Einsatz von Spielen in der Vorlesung soll Lehrende bei der Planung, Durchführung und Reflexion von Hörsaalspielen unterstützen sowie zur Konzeption neuer Spiele für die eigene Lehrveranstaltung anregen.
In der vorliegenden Dissertation wurden mittels qualitativer Methoden die Bildungs- und Berufsperspektiven junger Geflüchteter in der Sekundarstufe I untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt lag hierbei auf der Frage, an welchen Einflussfaktoren die Entwicklung ihrer beruflichen Ambitionen orientiert ist. Ziel der Arbeit war es, die Handlungsorientierungen junger Geflüchteter selbst sowie diejenigen der Akteure, die aufgrund ihrer Expertise und Erfahrung einen Einfluss auf diese Handlungsorientierungen ausüben können, zu rekonstruieren. Hierzu wurden sowohl mit den jungen Geflüchteten selbst als auch mit Expertinnen und Experten der Berufsberatung Interviews geführt. Während bei den Akteuren der Berufsberatung deren Expertenwissen im Vordergrund stand, handelte es sich im Falle der Geflüchteten um problemzentriert-narrative Interviews. Die Interviews wurden schließlich mit der Dokumentarischen Methode ausgewertet. Durch den Vergleich beider Gruppen konnten mögliche Übereinstimmungen und Diskrepanzen herausgearbeitet und daraus Handlungsempfehlungen für eine passgenaue Berufsberatung junger Geflüchteter abgeleitet werden.
Zentrales Anliegen der vorliegenden Arbeit ist es zu untersuchen, über welche fachdidaktischen Kenntnisse angehende Chemielehrkräfte zum Themenbereich Schülervorstellungen verfügen und wie diese ausgeprägt sind. Obwohl sich die naturwissenschaftsdidaktische Forschung seit den 1970er-Jahren der Untersuchung von Schülervorstellungen widmet, stellt die vertiefte Auseinandersetzung mit dem Wissensrepertoire von (angehenden) Chemielehrkräften zu Schülervorstellungen ein weitreichendes Desiderat dar. Da es vor allem an Testverfahren mangelt, die diese zentrale Facette fachdidaktischen Wissens praxisnah erheben, wurde hierzu ein vignettengestütztes Testinstrument entwickelt und validiert. Die Entwicklung der Vignetten basiert auf einem aus der Literatur abgeleiteten Arbeitsmodell, wobei die erhobenen Konstrukte Rückschlüsse auf das deklarative und prozedurale chemiedidaktische Wissen zu Schülervorstellungen (CDW) zulassen sollen. Zur Klärung der theoretisch angenommenen zweidimensionalen Struktur des CDWs und Überprüfung von psychometrischen Eigenschaften des Verfahrens wurde eine Stichprobe von N = 89 angehenden Lehrkräften herangezogen. Mithilfe einer konfirmatorischen Faktorenanalyse konnten die beiden postulierten Dimensionen deklarativen (dCDW) und prozeduralen chemiedidaktischen Wissens (pCDW) bestätigen werden (χ² (df = 34) = 34.679, p = 0.435, χ²/df = 1.020, RMSEA = 0.015, TLI = 0.993, CFI = 0.955). Weiterhin weist der Test eine hinreichende interne Konsistenz (dCDW: ω = 0.75, pCDW: ω = 0.60) und weitere adäquate psychometrische Eigenschaften (Itemschwierigkeiten, Trennschärfen) auf. Neben Hinweisen auf die faktorielle, konvergente und diskriminante Validität des Testverfahrens, liefert die Arbeit auch Antworten auf weitere Forschungsfragen, z. B. welche Interdependenzen sich zwischen dem CDW und einzelnen Aspekten motivationaler Orientierung zeigen. Aus latenten Korrelationsanalysen gehen substanziell bedeutsame Zusammenhänge zwischen einzelnen Dimensionen des CDWs und dem Unterrichtsenthusiasmus sowie der Fehlerorientierung von angehenden Chemielehrkräften hervor. Darüber hinaus lässt sich feststellen, dass das Ausmaß, in dem inhaltsspezifische Themen zum Bereich der Schülervorstellungen in der ersten und zweiten Phase der Lehrerbildung behandelt wurden, einen signifikanten Einfluss auf das Abschneiden im Vignettentest hat.
Die Auseinandersetzung mit naturwissenschaftlichen Arbeits- und Denkweisen ist mit den
neuen Bildungsstandards expliziter Bildungsauftrag für den naturwissenschaftlichen Unterricht
auf der Sekundarstufe I. Das dafür notwendige Professionswissen soll in der Lehrpersonenausbildung
aufgebaut werden und sich in Handlungssituationen wie Unterrichtsplanungen
zeigen. Bisher hat sich bestätigt, dass die Analyse von schriftlichen Unterrichtsplanungen
Aussagen über die Qualität von Unterrichtskonzeptionen ermöglichen. Jedoch
ist wenig bekannt, über welches fachdidaktische Wissen angehende Lehrpersonen zur Planung
von Unterricht zum Experimentieren im Sinne der Erkenntnisgewinnung verfügen
und in welcher Form sich dieses, in Unterrichtsplanungen angewendete Wissen, erfassen
lässt. In der vorliegenden Dissertation ist das im Projekt KUBeX entwickelte, hoch inferente
Ratinginstrument zur Beurteilung des entsprechenden fachdidaktischen Wissens faktoriell
validiert und hinsichtlich der beiden, im Modell der «Didaktischen Rekonstruktion»
angelegten Dimensionen «Analyse» und «Konstruktion» explorativ geprüft worden. Auch
ist in den von 119 angehenden Lehrpersonen erstellten Unterrichtsplanungen und videografierten
Planungsgesprächen die Qualität des erfassten fachdidaktischen Wissens untersucht
worden. Die empirischen Befunde zeigen, dass sich auf der Grundlage der untersuchten
Stichprobe das fachdidaktische Wissen zur Planung von Unterricht zum Experimentieren
im Sinne der Erkenntnisgewinnung mit dem vorliegenden Instrument ermitteln lässt.
Die im Modell der «Didaktischen Rekonstruktion» enthaltenen Dimensionen werden ausserdem
durch die vorliegenden Ergebnisse gestützt. Auch geben die Ergebnisse zur Qualität
des fachdidaktischen Wissens Anlass zur Vermutung, dass die Studierenden Schwierigkeiten
bekunden, einen Unterricht zum Experimentieren im Sinne der Erkenntnisgewinnung
zu planen oder dass sie dieses Wissen nicht explizit in den Planungen zeigen. Dabei
ist auch ein Zusammenhang zwischen der Qualität ihres fachdidaktischen Wissens und den
Vorgaben im Planungsraster festzustellen. Die eingangs erwähnten Zielsetzungen stellen
vor diesem Hintergrund eine ernst zu nehmende Herausforderung für die Lehrpersonenaus- und
-weiterbildung dar.
Der Klimawandel und seine Folgen zählen bereits heute und verstärkt in der Zukunft zu den zentralen Herausforderungen der Gesellschaft (Intergovernmental Panel on Climate Change 2014). Es ist mit einer deutlichen Zunahme von Extremereignissen zu rechnen, auch regional betrachtet. So ist zum Beispiel eine Zunahme der Anzahl an heißen Tagen zu erwarten. Der Rhein- Neckar-Raum gehört aufgrund seiner geographischen Lage im Oberrheingraben bereits heute zu einer der wärmsten Regionen in Deutschland. In der Region wird die Hitzebelastung jedoch stetig weiter zunehmen. Zudem steigt auch die Auftrittswahrscheinlichkeit von Hitzewellen (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit 2012; Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft 2015; Schär & Fischer 2008).
Aus unternehmerischer Sicht ergibt sich aus diesen veränderten klimatischen Bedingungen eine Vielzahl ökonomischer Konsequenzen. Branchenübergreifend sind insbesondere Auswirkun¬gen auf Rohstoffverfügbarkeit und Absatzketten zu erwarten. Ebenfalls kommen Beschaffungs-, Prozess-, Nachfrage- und Managementrisiken auf die Unternehmen zu. Zudem steigt das Risiko bioklimatisch bedingter Ausfälle von Arbeitnehmern durch eine steigende Zahl von Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems. Darüber hinaus nimmt die Leistungsfähigkeit von Arbeitnehmern bei steigenden Temperaturen ab (Hübler & Klepper 2007). Nach Berechnungen des Deutschen Instituts für Wirtschaftsforschung werden sich daher die durch den Klimawandel verursachten Schäden in den kommenden Jahrzehnten auf mehr als 100 Milliarden Euro, allein in Baden-Württemberg belaufen (Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft 2015).
Die Risiken des Klimawandels machen die Einleitung entsprechender Anpassungsstrategien durch die Unternehmen erforderlich. Zentrale Akteure sind dabei, neben der Management-ebene, vor allem die Mitarbeiter. Dabei spielen insbesondere Auszubildende und dual Studierende als Entscheidungsträger von morgen, bei der Entwicklung und Umsetzung innovativer Anpassungsstrategien eine zentrale Rolle. Vor diesem Hintergrund entstand das, vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit geförderte Projekt „Auszubildende begegnen dem Klimawandel – klimAZUBI“ der Pädagogischen Hochschule Heidelberg unter der Leitung von Prof. Dr. Siegmund. Ziel des Projekts ist eine Sensibilisierung und Bewusstseinsbildung von Auszubildenden bezüglich des Klimawandels und dessen Auswirkungen auf die betriebliche Umwelt. Im Rahmen dieses Projektes ist diese Dissertation eingebettet.
In dem Projekt durchlaufen die Teilnehmer dieser Studie ein speziell entwickeltes Design Thinking-Lernsetting zum Thema steigende Hitzebelastung und Auswirkungen auf die betriebliche Umwelt. Dabei wird die branchenspezifische Vulnerabilität der einzelnen Unternehmen hinsichtlich der regionalen Folgen des Klimawandels analysiert. Die Teilnehmer entwickeln Lösungsvorschläge in Bezug auf die betriebliche Hitzebelastung. Die Methode Design Thinking verfügt dabei über ein großes didaktisches Potenzial, da sie die Möglichkeit bieten, seitens der Teilnehmer eigenständig Überlegungen auf dem Gebiet der Klimawandelanpassung vorzunehmen.
Die Methode Design Thinking eignet sich zum einen, da sie Fachinhalte vermitteln kann und auch bei großen Problemfeldern wie dem Klimawandel, durch das strukturierte Vorgehen gut einsetzbar ist. Zum anderen ist die Methode in der Lage, die Teilnehmer aktiv mit einzubeziehen, dies erfolgt durch eine problemorientierte und aktive Auseinandersetzung mit der Thematik. Die Teilnehmer können ihre Kreativität einzubringen, so dass am Ende innovative Lösungsansätze entstehen. Daher bietet der Design Thinking Ansatz großes methodisch-didaktischen Potential für die Bereiche Lehre und Berufsbildung, sowie übergeordnet als Methode der Geographiedidaktik.
Die Forschungsfragen die sich dabei aufwerfen, sind dabei folgende: Erstens soll geklärt werden, welcher Zusammenhang zwischen der Kreativität, operationalisiert durch den kreativen Ausgangswert der Teilnehmer und der Veränderung der Kreativität erfolgt. Zweitens bedarf es einer Auseinandersetzung mit der Frage, wie die Veränderung von ausgewählten Aspekten, operationalisiert in die Kreativitätsaspekte gedankliche Flexibilität, Sensibilität gegenüber Problemen, Neugierde, Ambiguitätstoleranz, Unterscheidungs- und Trennvermögen sowie das Unkonventionell-Sein. Als dritte zentrale Forschungsfrage soll geklärt werden, welche Aspekte, mittels Interviews, identifiziert werden können, die zu einer Veränderung der Kreativität im Design Thinking-Lernsetting beitragen.
In dieser Arbeit wird der Mixed Method-Ansatz, die Verzahnung von qualitativ und quantitativen Daten (Kuckartz 2014) genutzt, um die Forschungsfragen umfassend beantworten zu können. Dabei kommen quantitative Fragebögen sowie qualitative Interviews zum Einsatz. Zum einen wurde der Kreativitätstest von Ripke (2005), der FAKT-Test, „Fragen an kreative Talente“ genutzt, um einen kreativen Ausgangswert der Teilnehmer zu ermitteln und die weitere Analyse darauf aufzubauen. Zum anderen wurde ein eigener Test entwickelt, der als Pre- und Post Erhebung durchgeführt wird und zum Ziel hat, die Veränderung ausgewählter Kreativitätsaspekte im Kontext des Design Thinking-Lernsettings zu erfassen. Des Weiteren wurde ein Interviewleitfaden entwickelt, um Hintergründe bezüglich der Art der Veränderung der Kreativität erfassen zu können.
Die Studie ist damit an der Schnittstelle von Wirtschafts- und Klimageographie sowie zur Berufspädagogik und Geographiedidaktik zu verorten. Die Arbeit leistet damit am Beispiel der Climate Change Education einen Beitrag zur Wirksamkeitsanalyse eines innovativen methodischen Ansatzes zur Kreativitätsveränderung und dessen Implementierung im Bereich der beruflichen Bildung.
Um die gestellten Forschungsfragen umfassend beantworten zu können, ist diese Arbeit daher wie folgt aufgebaut: Zuerst erfolgt die Darlegung des Forschungstandes zu den Thematiken Design Thinking (Kapitel 2.1) sowie zur Kreativität (Kapitel 2.2). Dabei werden die wichtigsten Publikationen und deren Erkenntnisse dargestellt. In Kapitel 3 werden die aus der Theorie abgeleiteten Forschungsfragen dargelegt. Um die Forschungsfragen beantworten zu können, wird in Kapitel 3 zudem das Forschungsdesign vorgestellt. Zudem erfolgt eine Verortung dieser Studie im Mixed Methods Design. Daran anschließend werden, in Kapitel 4, die Messinstrumente erläutert. Es folgt die Darstellung der Pilotierungsphase, in der sowohl die Messinstrumente als auch die Materialien für das Design Thinking-Lernsetting optimiert wurden. Die Untersuchungsgruppe dieser Studie wird zudem dargelegt. Darüber hinaus werden in diesem Kapitel Limitierungen der Arbeit offengelegt. In Kapitel 5 wird das methodische Vorgehen der Arbeit erläutert. Es wird auf die Auswertung der qualitativen Inhaltsanalyse und deren Besonderheiten, wie die Transkription und Codierung, eingegangen. Im darauffolgenden Kapitel werden die generierten Ergebnisse strukturiert dargestellt. Dabei werden zuerst die allgemeinen Merkmale der Untersuchungsteilnehmer näher betrachtet (Kapitel 6). Zudem erfolgt eine Aufteilung der Teilnehmer in zwei Gruppen, die gegenübergestellt werden. Auf dieser Aufteilung basiert die sich daran schließende Auswertung. Zum einen werden die Aussagen aus den Interwies (Kapitel 7) näher betrachtet, zum anderen erfolgt eine Analyse der quantitativen Ergebnisse (Kapitel 8 und 9). In Kapitel 10 erfolgt die Zusammenführung und Diskussion der Forschungsergebnisse, diese beinhaltet die Reflexion der Ergebnisse, des theoretischen Rahmens und des methodischen Vorgehens. Darüber hinaus erfolgt eine Einordnung der Relevanz dieser Studie für die Fachdidaktik. Diese Arbeit schließt mit dem Fazit ab (Kapitel 11).
In dieser Dissertation wird untersucht, wie sich Improvisationsmethoden in didaktischen Designs von Lehrveranstaltungen im tertiären Bereich integrieren lassen. Weiters analysiert wird, ob und wie diese theatralen didaktischen Interventionen die Selbstwirksamkeitserwartung von Studierenden sowie deren Bereitschaft zu kollaborativen und partizipativen Handeln verändern können.
Angewandte Improvisation bedeutet übersetzt auf das Feld der Hochschuldidaktik, dass Methoden wie assoziative Vorgangsweisen, der Einsatz von Körperbildern und improvisierte Kurzszenen in das Methodenset von Lehrenden einfließen. Diese Arbeit bringt weitere Hinweise darauf, dass sich Improvisationsmethoden auf eine sehr einfache und flexible Weise adaptieren lassen. Damit ihr Einsatz als didaktische Intervention gelingt braucht es, wie diese Dissertation zeigt, zunächst eine umfassende Designplanung für den gesamten Ablauf einer Lehrveranstaltung, die Online-Settings berücksichtigt, in denen Improvisationsmethoden ebenso sehr gut zum Einsatz kommen können. Unverzichtbar ist zudem u. a. mit Hinweisen auf Improvisationsregeln und durch den Einsatz von Aufwärmmethoden mögliche Barrieren für die Umsetzung der Methoden durch Studierende abzubauen, eine „sichere Zone“ zu etablieren.
Ein ebenso essenzielles Gestaltungselement ist die gezielte Auswahl von Debriefingfragen und –methoden, sowie ausreichend Zeitphasen, in denen diese umgesetzt werden. Gemeinsam mit der Art und Weise der Formulierung von Vorgaben zu den Improvisationsmethoden wird so eine unmittelbare Verbindung zu fachlichen und überfachlichen Zielen einer Lehrveranstaltung hergestellt. Ein Ergebnis der Arbeit ist in diesem Zusammenhang, dass Improvisationsmethoden weit mehr Einsatzfelder haben als ein bloßes spielerisches Überwinden einer Müdigkeit der Gruppe. Sie ermöglichen und begleiten Lernprozesse, es entstehen vielfältige Ideen und Inputs, die in einem Prozess der Bricolage von Studierenden dann völlig neu miteinander verbunden und auf verschiedenste Fragestellungen angewandt werden können.
Förderung von kompetenzorientiertem naturwissenschaftlichem Lehren und Lernen im Sachunterricht
(2020)
Der ab dem Jahr 2014 in den Deutschschweizer Kantonen zur Einführung freigegebene Lehrplan 21 verfolgt das Ziel, die Schule über kompetenzorientierten Unterricht zu reformieren. Die Implementierung des Lehrplan 21 in der Volkschule soll einerseits über neue Weiterbildungen der kantonalen Dienststellen für Bildung und den Pädagogischen Hochschulen und andererseits über neue kompetenzorientierte Unterrichtsmaterialien der Schulverlage erfolgen. Zumal die Umsetzung des Lehrplan 21 in der Volksschule noch im Gange ist, liegen schweizweit bisher kaum empirische Befunde über die Wirkung von kompetenzorientierten Lehrplan 21 kompatiblen Unterrichtsmaterialien und Weiterbildungen vor. Die Forschung hat sich noch unzureichend mit der Frage beschäftigt, unter welchen Bedingungen solche Professionalisierungsmassnahmen das Lehren und Lernen im naturwissenschaftlichen Sachunterricht an Schweizer Schulen kompetenzorientierter gestalten lassen. Die internationale Empirie zeigt allerdings, dass Fortbildungen für Lehrpersonen sowie auch Unterrichtsmaterialien das Potenzial besitzen, über qualitative Lerngelegenheiten das Lehren und Lernen zu verändern. Basierend auf dieser Grundlage soll mit dieser Entwicklungsforschung schweizweit erstmals die Wirkung von Professionalisierungsmassnahmen zur Förderung eines kompetenzorientierten naturwissenschaftlichen Sachunterrichts auf der Mittelstufe untersucht werden. Den Grundstein dieser Studie bildete ein im Sommer 2014 lanciertes Kooperationsprojekt zwischen dem Schulverlag plus Bern und dem Autor dieser Studie (Dozent an der Pädagogischen Hochschule Luzern) zur Erarbeitung einer qualitativen Lerngelegenheit in Form einer Unterrichtseinheit. Ziel der Kooperation war es, ein kompetenzförderndes Aufgabenset zum Themenbereich Stoffe und deren Eigenschaften zu entwickeln und zu erproben. Zusätzlich zur Unterrichtseinheit konzipierte der Autor dieser Studie ab Sommer 2015 eine Lerngelegenheit in Form einer Weiterbildung für Lehrpersonen der Mittelstufe. Diese Weiterbildung machte den kompetenzfördernden Unterricht im Sachunterricht mittels kompetenzfördernden Aufgabensets zum Gegenstand. Auf der Grundlage der beiden Lerngelegenheiten wurden zwei Professionalisierungsmassnahmen angelegt. Massnahme 1 beinhaltete eine Weiterbildung zu kompetenzfördernden Aufgabensets, eine Einführung in die Arbeit mit den Unterrichtsmaterialien des Lehrmittels NaTech sowie die anschliessende Arbeit mit der Unterrichtseinheit Süsse Chemie an der eigenen Schulklasse. Massnahme 2 beschränkte sich dagegen auf die Einführung in die Arbeit mit den Unterrichtsmaterialien des Lehrmittels NaTech und die anschliessende Arbeit mit der Unterrichtseinheit Süsse Chemie. Insgesamt haben im Schuljahr 2016/17 40 Lehrpersonen mit rund 650 Schülerinnen und Schüler an den beiden Professionalisierungsmassnahmen teilgenommen. Die beiden Massnahmen wurden begleitet von Erhebungen auf der Lehrpersonenebene und der Schülerinnen- und Schülerebene. Es interessierten insbesondere die Veränderungen in den naturwissenschaftlichen konstruktivistischen Lehr-Lern-Vorstellungen der Lehrpersonen sowie der Unterrichtsgestaltung im naturwissenschaftlichen Sachunterricht. Auf der Ebene der Schülerinnen und Schüler wurden die Kompetenzselbsteinschätzung sowie die Leistungsmotivation der Schülerinnen und Schüler betrachtet. Die Studie konnte bei beiden Professionalisierungsmassnahmen in den Bereichen der Unterrichtsgestaltung und der Kompetenzselbsteinschätzung der Schülerinnen und Schüler eine Veränderung und Annäherung an einen kompetenzorientierten, naturwissenschaftlichen Sachunterricht feststellen. Im Bereich der Leistungsmotivation wurde eine höhere Stabilität derselben bei den Schülerinnen und Schüler der Massnahme 1 (Weiterbildung, Lehrmitteleinführung & Unterrichtseinheit) gegenüber den Schülerinnen und Schüler der Massnahme 2 (Lehrmitteleinführung & Unterrichtseinheit) festgestellt. Augenfälligstes Ergebnis war der signifikante Unterschied im Bereich der Nützlichkeit. Die Schülerinnen und Schüler von Lehrpersonen, die eine Weiterbildung besucht haben, schätzten die Nützlichkeit dessen, was sie im Unterricht gelernt haben, für die eigene Zukunft höher ein als die Schülerinnen und Schüler der Vergleichsgruppe (Lehrpersonen ohne Weiterbildung). Des Weiteren wurde untersucht, wie sich die Prädiktoren Kohorte, Alter, Geschlecht, Sprache, Unterrichtswahrnehmung und Kompetenzselbsteinschätzung der Schülerinnen und Schüler auf die Leistungsmotivation auswirkten. Die Modellrechnungen zeigten, dass weder das Alter, das Geschlecht noch die Sprache signifikant auf die Leistungsmotivation wirkten. Signifikante, jedoch schwache, Wirkungen wiesen neben der Zugehörigkeit zur Kohorte die Unterrichtswahrnehmung und die Kompetenzselbsteinschätzung auf. Ferner konnte gezeigt werden, dass die Lehrpersonen im Bereich der Lehr-Lernfördernden Vorstellungen über beide Massnahmen hinweg hohe und stabile Ausprägungen auswiesen. Auch führten die Professionalisierungsmassnahmen zu einer Ausdifferenzierung im Bereich der Lehr-Lernhemmenden Vorstellungen. Die Diskussion der Ergebnisse liefert Hinweise dafür, dass vermehrt die Dialog- und Unterstützungskultur als Teil der kompetenzorientierten Aufgabenkultur in den Fokus von Professionalisierungsmassnahmen gerückt werden muss.
Insgesamt unterstützen die Ergebnisse dieser Studie die Weiterentwicklung der bestehen-den Professionalisierungsmassnahmen hin zu qualitätsvollen Lerngelegenheiten für Lehrpersonen. Solche Lerngelegenheiten sind notwendig zur erfolgreichen Implementierung des neuen Lehrplan 21, da Unterrichtsmaterialien allein nicht ausreichen.
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.
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.