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Analyse der Entwicklung chemischen Fachwissens und seines Einflusses auf Studienerfolg von
Chemiestudierenden in der Studieneingangsphase

Antragssteller

Mitarbeiter

​​Sumfleth Elke  ​​Prof. Dr. Elke Sumfleth

  Fakulät für Chemie​​,
  Arbeitsgruppe Didaktik der Chemie

Averbeck DanielDaniel Averbeck

Fakulät für Chemie​​,
Arbeitsgruppe Didaktik der Chemie

​​Leutner  Prof. Dr. Dr. h.c. Detlev Leutner

  Fakultät für Bildungswissenschaften,
  AG Lehr-Lern-Psychologie

Jens FleischerJens Fleischer​​

Fakultät für Bildungswissenschaften,
AG Lehr-Lern-Psychologie

​​

Brand Matthias  Prof. Dr. Matthias Brand

  Fakultät für Ingenieurwissenschaften
  AG​​ Kognitionspsychologie

Projektbeschreibung

Ziel/Anliegen

Ziel des hier beschriebenen Teilprojekts der Forschergruppe ALSTER ist es, den Einfluss ausgewählter kognitiver und affektiver Variablen auf den Studienerfolg von Chemiestudierenden in der Studieneingangsphase zu untersuchen.
Auf Seiten der Prädiktoren werden in diesem Teilprojekt lediglich die im Gesamtprojekt erhobenen variablen und fachbezogenen sowie ausgewählte stabile Eingangsvoraussetzungen der Studierenden betrachtet Weiterhin sollen mögliche Wechselwirkungen zwischen diesen Einflussgrößen, dem Vorwissen (zu Beginn der jeweiligen Veranstaltung) und dem universitär erworbenen Fachwissen (am Ende der jeweiligen Veranstaltung) in den spezifischen chemischen Teilbereichen (Allgemeine Chemie, Physikalische Chemie, Analytische Chemie, Anorganische & Organische Chemie) des Anfangsstudiums aufgeklärt werden.

Theoretischer Hintergrund
Studieneingangsstatistiken der letzten Jahre machen deutlich, dass nur ein geringer Teil der Hochschulzugangsberechtigten ein naturwissenschaftlich-technisches Studium aufnimmt (Chen, 2009; OECD, 2011), von denen aber auch ein Großteil die Universität ohne einen entsprechenden Abschluss wieder verlässt (Heublein, Richter, Schmelzer & Sommer, 2012). Vor diesem Hintergrund werden Kenntnisse über Prädiktoren für Studienerfolg immer bedeutsamer, um die Studienabbruchquoten gezielt verringern zu können.
Die Vielzahl bereits existierender Untersuchungen zu dieser Thematik setzen dabei allerdings unterschiedliche und somit kaum vergleichbare Schwerpunkte. So werden beispielweise nur affektive Faktoren (vgl. Shi, Drzymalski & Guo, 2014), motivationale Variablen (vgl. Kosovich, Hulleman, Barron & Getty, 2015) oder kognitive Größen (Hailikari & Nevgi, 2010) und deren Einflüsse auf Studienerfolg getrennt voneinander untersucht. Darüber hinaus nutzen die aufgeführten Studien zumeist unterschiedliche Kohorten, operationalisieren die Outcome-Variable des Studienerfolgs unterschiedlich und sind fachunspezifisch angelegt. Chemiespezifische Studienerfolgsuntersuchungen sind hingegen sehr selten und fokussieren überwiegend auf den Teilbereich der Allgemeinen Chemie. Als stärkster Prädiktor für Studienerfolg in diesem Grundlagenkurs gilt das Vorwissen (Freyer, 2013) gefolgt von der mathematischen Kompetenz (Busker, Klostermann, Herzog, Huber & Parchmann, 2011), der physikalischen Kompetenz (Derrick & Derrick, 2002), der chemischen Vorerfahrung (Tai, Ward & Sadler, 2006) sowie der Abitur- beziehungsweise der fachaffinen Einzelnote (Tai, Sadler & Loehr, 2005; Giesen, Gold, Hummer & Jansen, 1986). Jedoch beinhaltet die Studieneingangsphase der Chemiestudierenden mit der Physikalischen, Analytischen, Anorganischen und Organischen Chemie noch weitere Teilbereiche. Prädiktoren für eine erfolgreiche Fachwissensentwicklung in diesen einzelnen chemischen Teilbereichen sind im Gegensatz zur Allgemeinen Chemie bisher nur sehr marginal untersucht wurden (vgl. Nicoll & Francisco, 2001; Wu & Shah, 2004). Zudem sind etwaige Wechselwirkungen zwischen diesen chemischen Teildisziplinen bezüglich der universitären Fachwissensentwicklung sowie der Einfluss des in jeder Subfacette erworbenen Fachwissens auf den Studienerfolg nicht geklärt. Aus den genannten Desiderata ergeben sich folgende Forschungsfragen.

Forschungsfragen

  • FF.1: Welche der ausgewählten kognitiven, affektiven und motivationalen Faktoren haben einen Einfluss auf den Studienerfolg innerhalb der Studieneingangsphase von Chemiestudierenden?
  • FF.2: Zeigen sich teilbereichsspezifischen Unterschiede zwischen den genannten Prädiktoren mit Blick auf die fünf grundlegenden chemischen Teilbereiche?
  • FF.3: Resultieren Wechselwirkungen zwischen den fünf grundlegenden chemischen Teildisziplinen bezüglich der bereichsspezifischen Fachwissensentwicklung?

Design

Zur Klärung dieser Forschungsfragen werden Erstsemesterstudierende der Studiengänge B. Sc. Chemie und B. Sc. Water Science der Universität Duisburg-Essen in einem Längsschnittstudiendesign zu drei Messzeitpunkten befragt.
Nachfolgend sind die hochschulspezifische Abfolge der jeweiligen Lehrveranstaltungen sowie das daraus resultierende Prä-Post-Design zur Erhebung von Vor- und Fachwissen zu allen Messzeitpunkten dargestellt (siehe Abb.1)
Abb1 Tp-a-chemie-2
Abbildung 1: Studienverlaufsplan und Erhebungsdesign

Das Wissen in den fünf chemischen Teilbereichen wird in dem jeweiligen Semester jeweils zu einem ersten Messzeitpunkt (zu Beginn des entsprechenden Kurses) und einem dritten Messzeitpunkt (am Ende des entsprechenden Kurses) der im Gesamtprojekt durchgeführten Erhebungswellen mit eigens entwickelten teilbereichsspezifischen Fachwissenstests erhoben. Der in anderen Projekten genutzte zweite Messzeitpunkt während des Semesters wir in dieser Studie nicht genutzt. Die Leistung im ersten Test am Anfang des entsprechenden Semesters wird als Vorwissen, die Leistung am Ende des Semesters als universitäres Fachwissen operationalisiert. Aus der Veränderung des Wissens zwischen den Messzeitpunkten wird der Wissenszuwachs abgeleitet.
Als potentielle Prädiktoren für den Wissenserwerb beziehungsweise den Studienerfolg von Chemiestudierenden werden in diesem Teilprojekt das akademische Selbstkonzept, das Studieninteresse, die akademische Selbstwirksamkeitserwartung, Studienzufriedenheit, die Studienmotivation und die mathematischen Fähigkeiten ausgewählt. Zusätzlich werden weitere stabile Merkmale der Gesamterhebung wie das Geschlecht, die kognitiven Fähigkeiten, die Abiturgesamtnote und die Wahl eines Chemieleistungs- oder Grundkurses in der Oberstufe mit einbezogen. Um die prädiktive Kraft sowie die genannten Wechselwirkungen der Faktoren zu untersuchen, werden multivariate Regressionsanalysen auf Basis eines Cross-Lagged-Panel Modells durchgeführt.
Die Pilotstudie umfasst das Wintersemester 2015 / 2016 und Sommersemester 2016. Der erste Messzeitpunkt der Hauptstudie findet am Anfang des Wintersemesters 2016 / 2017, der dritte Messzeitpunkt dann am Ende dieses Semesters statt. Die finale Erhebung wird am Ende des Sommersemesters 2017 durchgeführt und schließt somit am Ende des zweiten Semesters der Studieneingangsphase die Haupterhebung ab. Die Hauptstudie umfasst dabei die zusätzliche Erhebung an der Ruhruniversität Bochum als weiteren Standort. Innerhalb des Curriculums für Chemie an der Ruhruniversität ist die Analytische Chemie im Gegensatz zur Physikalischen Chemie innerhalb der ersten beiden Semester vorgesehen. Die Verortung der weiteren chemischen Teildisziplinen ist äquivalent zum Standort Essen. Daraus ergibt sich eine Erweiterung der Hauptstudienerhebung sowohl um eine weitere Hochschule, als auch um eine weitere chemische Teildisziplin. Um die Vergleichbarkeit der Studie für beide Standorte zu gewährleisten, werden dieselben Fragebögen zu allen fünf chemischen Teilbereichen sowohl in Essen als auch in Bochum eingesetzt und das resultierende Modell (siehe Abb. 2) erweitert.

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Regressionsanalysen sind in Abbildung 2 zusammengefasst, in der ausschließlich signifikante Prädiktoren und Regressionspfade angegeben werden und die bis zum jetzigen Zeitpunkt lediglich den ersten und dritten Messzeitpunkt umfasst.
Abb2-tp-a-chemie
Abbildung 2: Cross-Lagged-Panel Modell der Wirkzusammenhänge; N = 113

Zusammenfassend lässt sich festhalten,​
dass das Vorwissen in der Allgemeinen beziehungsweise in der Physikalischen Chemie lediglich von fünf motivationalen, affektiven und kognitiven Faktoren prädiziert wird. Den stärksten Einfluss zeigt dabei die Rechenfähigkeit. Darüber hinaus wirken die kognitive Fähigkeit der Studierenden in beiden chemischen Teilbereichen und die Kurswahl in der Allgemeinen Chemie maßgeblich auf das Vorwissen. Bezogen auf das universitär erworbene Fachwissen in den beiden genannten Teilbereichen stellt das korrespondierende Vorwissen den stärksten Prädiktor dar. Darüber hinaus zeigt sich am Ende des ersten Semesters weiterhin ein deutlicher Einfluss der mathematischen Kompetenz auf das erworbene Fachwissen in beiden Inhaltsbereichen. Die weiteren Faktoren werden fast ausschließlich über das Vorwissen mediiert und zeigen somit keinen direkten Effekt auf den Erwerb des Fachwissens. Bei der weiteren Betrachtung der Analysen fällt ebenfalls auf, dass das Vorwissen beziehungsweise erworbene universitäre Fachwissen in der Allgemeinen Chemie die zentrale Einflussgröße der weiteren Wissensgenese von Chemiestudierenden in der Studieneingangsphase darstellt. Zum einen ist das Vorwissen in der Allgemeinen Chemie der stärkste Prädiktor für das universitäre Fachwissen in demselben Teilbereich (β = .606; p < .001), aber auch für das Fachwissen in der Physikalischen Chemie (β = .401; p < .001). Darüber hinaus zeigen sich moderate Korrelationen zwischen dem Vorwissen (r = .226; p < .001) und dem universitären Fachwissen (r = .277; p < .001) beider Teilbereiche. Zum anderen beeinflusst das universitär erworbene Fachwissen der Allgemeinen Chemie das Vorwissen in den Bereichen der Organik (β = .213; p < .001) und Anorganik (β = .420; p < .001) zu Beginn des zweiten Semesters maßgeblich. Das Vorwissen in der Organik wird dabei sogar ausschließlich vom Vor- und Fachwissen der Allgemeinen Chemie prädiziert.
Zum derzeitigen Stand der Analysen scheinen also ein gut entwickeltes Vor- beziehungsweise universitäres Fachwissen in der Allgemeinen Chemie sowie eine ausgeprägte mathematische Kompetenz die zentralen Größen für den Wissenserwerb in den weiteren chemischen Teilbereichen und somit den Studienerfolg von Chemiestudierenden in der Studieneingangsphase zu sein.

Veröffentlichungen

 

Tagungsbandbeiträge

  • Averbeck, D., Fleischer, J., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2017). Analyse chemischen Fachwissens und dessen Einfluss auf Studienerfolg. In: C. Maurer (Hrsg.). Implementation fachdidaktischer Innovation im Spiegel von Forschung und Praxis. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Zürich 2016. (S. 380 - 382). Universität Regensburg. Online verfügbar unter http://www.gdcp.de/images/tagungsbaende/GDCP_Band37.pdf
  • Fleischer, J., Averbeck, D., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2017). Entwicklung und Vorhersage von Studienzufriedenheit in MINT-Fächern. In: C. Maurer (Hrsg.). Implementation fachdidaktischer Innovation im Spiegel von Forschung und Praxis. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Zürich 2016. (S. 380 - 382). Universität Regensburg. Online verfügbar unter http://www.gdcp.de/images/tagungsbaende/GDCP_Band37.pdf
  • Averbeck, D., Dicke, T., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2015). Chemiespezifische und fächervergleichende Analysen von Studienerfolgsprädiktoren. In: C. Maurer (Hrsg.). Authentizität und Lernen - das Fach in der Fachdidaktik. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Berlin 2015. (S. 380 - 382). Universität Regensburg. Online verfügbar unter http://www.gdcp.de/images/tagungsbaende/GDCP_Band36.pdf
  • Dicke, T., Averbeck, D., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2015). Zentrale Datenerhebung und fächervergleichende Auswertung. In: C. Maurer (Hrsg.). Authentizität und Lernen - das Fach in der Fachdidaktik. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Berlin 2015. (S. 380 - 382). Universität Regensburg. Online verfügbar unter http://www.gdcp.de/images/tagungsbaende/GDCP_Band36.pdf
  • Averbeck, D., Dicke, T., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2015). Chemiebezogene und Analysen zu Studienerfolgsprädiktoren.  In: Abstractband: Erziehungswissenschaftliche Perspektiven der Empirischen Bildungsforschung. 50 Jahre AEPF. Arbeitsgruppe für Empirische Pädagogische Forschung, Jahrestagung in Göttingen. Georg-August-Universität Göttingen. Online verfügbar unter http://www.aepf2015.de/AEPF2015_Abstractband.pdf
  • Averbeck, D., Strübe, M., Sumfleth, E. (2015). Sachstrukturen im Chemieunterricht – Entwicklung und Erprobung eines Kategoriensystems zur Rekonstruktion von Sachstrukturen. In GEBF Abstractband – Heterogenität.Wert.Schätzen (S. 260). Verfügbar unter http://www.gebf2015.de/Abstractband.pdf

 

Poster Präsentationen und Vorträge

  • Averbeck, D., Fleischer, J., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2016). Chemiespezifische und fächervergleichende Analysen von Studienerfolgsprädiktoren. In: Elke Sumfleth (Chair), Pilotstudienergebnisse – 1. Semester in NWT-Studiengängen (ALSTER)-II.. Vortragssymposium auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik [GDCP]. Zürich, Schweiz. (Vortrag).
  • Averbeck, D., Fleischer, J., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M., Hasselbrink, E. (2016). Analyse der Entwicklung des chemischen Fachwissens und seines Einflusses auf den Studienerfolg. Posterausstellung auf dem ALSTER-Workshop in der Wolfsburg. Mülheim. (Poster).
  • Averbeck, D., Fleischer, J., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2016). Chemiespezifische und fächervergleichende Analysen von Studienerfolgsprädiktoren. Postersymposium auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Empirische Bildungsforschung [GEBF]. Berlin. (Poster).
  • Averbeck, D., Dicke, T., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2015). Chemiebezogene und Analysen zu Studienerfolgsprädiktoren. In: Detlev Leutner (Chair), Akademisches Lernen und Studienerfolg in naturwissenschaftlich-technischen Studiengängen. Postersymposium auf der Jahrestagung der Arbeitsgruppe für Empirische Pädagogische Forschung [AEPF]. Göttingen. (Poster).
  • Averbeck, D., Dicke, T., Sumfleth, E., Leutner, D., Brand, M. (2015). Chemiespezifische und fächervergleichende Analysen von Studienerfolgsprädiktoren. In: Elke Sumfleth (Chair), Akademisches Lernen und Studienerfolg (FG-ALSTER). Postersymposium auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik [GDCP]. Berlin. (Poster).
  • Averbeck, D., Sumfleth, E. (2015). Chemiespezifische Analysen von Studienerfolgsprädiktoren. Doktorierendenkolloquium der Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik [GDCP]. Schmitten. (Vortrag).

 

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