Kreatives Modellieren im Lernort Labor : Eine vergleichende Studie zu Wissenserwerb, Modellverständnis und dem Einfluss individueller Kreativität

Titelangaben

Mierdel, Julia:
Kreatives Modellieren im Lernort Labor : Eine vergleichende Studie zu Wissenserwerb, Modellverständnis und dem Einfluss individueller Kreativität.
Bayreuth , 2020 . - 164, XIV S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004881

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Abstract

Modelle und Modellbildung nehmen eine zentrale Position im naturwissenschaftlichen Forschungsprozess ein: Sie präzisieren wesentliche Aussagen experimenteller Beobachtungen und verknüpfen theoretische Hintergründe miteinander, um so eine Grundlage für wissenschaftliche Vorhersagen zu bilden. Im Rahmen einer fundierten naturwissenschaftlichen Ausbildung tragen Modelle und Modellierung maßgeblich zur Veranschaulichung abstrakter Phänomene, zur didaktischen Reduktion komplexer Vorgänge und zur Hypothesenüberprüfung im Biologieunterricht bei. Gerade der Fachbereich Genetik weist eine hohe Komplexität auf und führt aufgrund unsichtbarer Strukturen molekulargenetischer Abläufe typischerweise zu Fehlvorstellungen und Lernschwierigkeiten bei Schülern. Neben dem Einsatz von Modellen und Modellbildung zum Verständnis genetischer Fachinhalte zeigten frühere Studien, dass schülerzentriertes Experimentieren in authentischen Lernumgebungen zu einem langfristigen Wissenszuwachs führen kann. Im naturwissenschaftlichen Forschungsprozess gehen Modellentwicklung und die Deutung experimenteller Untersuchungen Hand in Hand, daher sollten auch geeignete Unterrichtsprogramme beide Aspekte vereinen.
Vor diesem Hintergrund integriert die vorliegende Studie beide naturwissenschaftlichen Arbeitsmethoden in einem schülerzentrierten, forschend-entdeckenden Unterrichtsmodul für die Sekundarstufe am außerschulischen Lernort Labor im Kontext der Erarbeitung der DNA-Struktur (Teilstudie A). Die Kombination von Hands-on Experimenten mit modellbasiertem Lernen hatte zum Ziel, den Aufbau von Fachwissen zu fördern und das Modellverständnis der Schüler zu steigern. Es wurden zwei unterschiedliche Unterrichtsansätze implementiert und bezüglich ihrer Effektivität verglichen: Während die experimentellen Einheiten für alle Schüler identisch waren, arbeiteten in der Modell-Phase die ‚Modellierer‘ (I) kreativ und konstruierten selbstständig ein DNA-Modell, wohingegen die ‚Modellbetrachter‘ (II) Bausteine der DNA anhand eines herkömmlichen Schulmodells untersuchten und identifizierten.
Das Unterrichtsmodul mit den beiden beschriebenen modellgestützten Ansätzen bildete die Grundlage für drei Teilstudien, an denen insgesamt rund 290 Schüler der neunten Jahrgangsstufe (Gymnasium) teilnahmen. Zunächst lag der Fokus auf der Evaluation des Ansatzes zum Modellieren (I), wobei Wissen, Kreativität und Modellqualität erfasst wurden (Teilstudie B). Im Hinblick auf geschlechtsspezifische Wissensunterschiede konnte gezeigt werden, dass die Mädchen Vorwissensdefizite gegenüber den Jungen nach dem Unterricht ausgleichen konnten und der Wissenszuwachs der Schülerinnen positiv mit einer höheren Modellqualität und kreativen ‚Flow‘-Erfahrungen einherging. Allerdings wurden für beide Geschlechter keine Zusammenhänge zwischen der individuellen Kreativität und der Modellqualität festgestellt.
Vor dem Hintergrund unterschiedlicher Einsatzmöglichkeiten von Modellarbeit im Unterricht sollten die implementierten Ansätze hinsichtlich ihrer instruktionalen Effizienz, d.h. der standardisierten Differenz von geistiger Anstrengung und der Lernleistung, überprüft werden (Teilstudie C). Beide Unterrichtsansätze zeigten ähnliche Ergebnisse bezogen auf die kognitive Belastung während der verschiedenen Modell-Phasen. Jedoch erreichten die ‚Modellbetrachter‘ (II) mittelfristig einen höheren Wissenszuwachs gegenüber den ‚Modellierern‘ (I). Das bedeutet, dass bei vergleichbarer geistiger Anstrengung im Unterricht die ‚Modellbetrachter‘ (II) eine höhere Lernleistung erreichten. In der Folge lässt sich das untersuchende Modellbetrachten (II) als instruktional effizientere Lernmethode bewerten.
Effektive Methoden zur Förderung des Modellverständnisses sind gefragt, da eine verstärkte Reflexion über die Bedeutung von Modellen als ein relevanter Bestandteil naturwissenschaftlicher Grundbildung angesehen wird. Deshalb war ein weiteres Ziel der Studie, Einflüsse beider modellbasierter Ansätze auf das Modellverständnis der Schüler zu vergleichen (Teilstudie D). Drei Teilaspekte des Konstrukts wurden erfasst: (1) alternative Modelle, (2) Modelle als exakte Nachbildungen und (3) veränderlicher Charakter naturwissenschaftlicher Modelle. Die Argumentationen der Schüler über ‚alternative Modelle‘ (1) lieferten einen typischen Querschnitt zum Modellverständnis der untersuchten Altersgruppe. Die Mehrheit der Schüler begründete Modellunterschiede mit variierenden Eigenschaften des Originals (DNA) oder bezog sich auf das gewählte Modelldesign. Dies entspricht einem niedrigeren Verständnisniveau und stützt die geläufige Auffassung von Modellen als Lehrmittel. Im Gegensatz dazu konnte kurz- und mittelfristig sowohl durch das kreative Modellieren (I), als auch durch das untersuchende Modellbetrachten (II) eine Annäherung an ein naturwissenschaftlich anerkanntes Modellverständnis erreicht werden. Damit verbunden war die verringerte Auffassung von Modellen als ‚exakte Nachbildungen eines Originals‘ und die gesteigerte Wahrnehmung vom ‚veränderlichen Charakter naturwissenschaftlicher Modelle‘.
Zusammengefasst zeigte die Kombination von modellgestütztem Lernen mit experimentellen Untersuchungen signifikant positiven Einfluss auf Wissenserwerb und Modellverständnis. Obwohl das untersuchende Modellbetrachten (II) als instruktional effizienter bewertet wurde, bot der Zugang des kreativen Modellierens den Schülerinnen die Möglichkeit, durch erfolgreiche Modellbildung und ‚Flow‘-Erfahrungen, Lücken im Vorwissen zu schließen und somit Geschlechterunterschiede auszugleichen. Darüber hinaus sind die implementierten Lernmethoden nicht auf den isolierten Einsatz am außerschulischen Lernort Labor beschränkt und lassen sich fächerübergreifend in den naturwissenschaftlichen Unterricht integrieren.

Abstract in weiterer Sprache

Models and modelling occupy a key position in research processes as they may help to explain experimental observations by extracting essential parameters and bridging theoretical knowledge to provide a basis for further scientific predictions. Within the framework of sound scientific education, models and modelling contribute significantly to illustrate abstract phenomena, to reduce complex molecular processes or to test certain hypotheses in biology lessons. Genetics, in particular, is a topic characterized by high complexity that typically can lead to misconceptions and learning difficulties due to invisible molecular structures and processes. In addition to the application of models and modelling, previous studies have shown benefits of student-centred learning in outreach labs. By performing experiments on their own, students can achieve a deeper understanding of genetic concepts. As modelling and experimental investigations go hand in hand in the scientific research process, suitable educational programs should also combine both aspects.
The present study integrates these two methods on learning about DNA structure within an inquiry-based, out-of-school laboratory module for secondary school students (study A). Herein, hands-on experiments were combined with model-based learning in order to promote cognitive achievement and students’ understanding of scientific models. The sample was divided in order to allow comparison of the effectiveness of two different model-based approaches: while all participants were subjected to the experimental part of the module, only the ‘modellers’ (I) were required to creatively generate a DNA-model using assorted handcrafting materials, whereas the ‘model viewers’ (II) worked with a commercially available school model of the DNA structure.
All further substudies are based on data from about 290 ninth graders (highest secondary school level) who participated in the laboratory module with different methodological model-based approaches (I: modelling; II: model viewing). Initially, the focus was on the evaluation of the modelling approach (I), where cognitive achievement, creativity, and model quality was assessed (study B). As a major result, girls were shown to produce significantly better structured models and were able to close prior knowledge deficits. Additionally, significant positive correlations were unveiled between girls’ cognitive achievement and the model quality as well as the creativity subscale ‘flow’. In contrast, neither creativity nor model quality were decisive for boys’ cognitive achievement. However, no relations were found between individual creativity levels and model quality for both genders.
Due to the fact that teachers can use models for different purposes in science lessons, another major aim was to observe the instructional efficiency (i.e., the standardized difference between mental effort and performance) of the implemented approaches (study C). Both approaches showed similar results with regard to cognitive load during the different model phases. However, the 'model viewers' (II) achieved a significant higher mid-term knowledge increase than the 'modellers' (I). This means that with comparable mental effort of the implemented approaches, the 'model viewers' (II) achieved a higher performance. Subsequently, model viewing (II) can be evaluated as an instructionally more efficient learning method.
As effective methods to foster students’ understanding of models in science education are needed, increased reflection on thinking about models is regarded as a relevant competence associated with scientific literacy. Therefore, another main objective of the study was to investigate the impact of both model-based approaches on students’ understanding of models (study D). Three subsections of the construct were examined: (1) students’ reasoning about multiple models in science, (2) students’ understanding of models as exact replicas, and (3) students’ understanding of the changing nature of models. Students’ argumentations about ‘multiple models’ provided a typical cross-section for the age group surveyed and showed that a majority justified model differences with varying properties of the original (DNA) or referred to the model design. This corresponds to a lower understanding and emphasizes the common interpretation of models mainly regarded as teaching tools. Despite the lack of differences between the two approaches, a positive impact of model-based learning on students' understanding of scientific models was observed. This was associated with a reduced understanding of ‘models as exact replicas’ and an increased perception of ‘the changing nature of scientific models’.
In summary, the combination of model-based learning with experimental observations had a significant positive effect on knowledge acquisition and model understanding. Although model viewing was found to be more instructionally efficient, creative modelling offered female students the opportunity to close knowledge gaps through successful model building and 'flow' experiences. In attempting to attract girls to science, model elaboration may further support hands-on experimentation and thus balance gender differences. In addition, the implemented learning methods are not limited to the use in out-of-school laboratories but can also enrich conventional science classrooms.