Forschungsprojekt

Kognitive Anforderungen beim Lesen und Verstehen von Abbildungen in der Biologie

2013 - 2016

verantwortlich: M. Brandstetter-Korinth, C. Florian, A. Sandmann

Biologische Fachinhalte werden häufig durch komplexe Abbildungen repräsentiert. In Biologieschulbüchern lässt sich eine beachtliche Variationsfülle an Abbildungen erkennen, die von illustrativen Fotografien über Schaubilder bis hin zu chemischen Formeln, mathematischen Diagrammen und Graphen reicht. Bislang liegt nur unsystematisches Wissen über die Struktur und Funktion dieser Abbildungsfülle vor. Es ist daher unklar, welche Merkmalskombinationen Abbildungen ausmachen, die besonders typisch und repräsentativ sind für das Lernen in bestimmten Themenbereichen im Fach Biologie. Vor diesem Hintergrund wurde zunächst ein Kategoriensystem zur Beschreibung der Struktur- und Funktionsmerkmale von Abbildungen im Fach Biologie entwickelt und evaluiert. Die kategoriengeleitete Analyse von 608 Abbildungen der Inhaltsbereiche Immunbiologie, Neurobiologie und Genetik in aktuellen nordrheinwestfälischen Biologieschulbüchern zeigte, dass verschiedene Abbildungsinhalte typischerweise in Zusammenhang mit bestimmten Strukturmerkmalen und Text-Bild-Funktionen stehen. So werden Prozesse beispielsweise häufig als zusammengesetzte Strichzeichnung mit organisierender Text-Bild-Funktion abgebildet, wohingegen Objektdarstellungen eher einzelne Fotografien sind, die häufiger illustrierende oder visualisierende Text-Bild-Funktionen erfüllen. Es gibt also Hinweise darauf, dass die inhaltliche Struktur der Domäne Biologie auch Struktur- und Funktionsmerkmale fachlicher Abbildungen bedingen kann.
Das Lernen mit dieser großen Anzahl und Variationsfülle an Repräsentationsformen stellt Schülerinnen und Schüler vor fachspezifische Herausforderungen, auf die auch in den bundesweit einheitlichen Bildungsstandards im Fach Biologie für den mittleren Schulabschluss eingegangen wird.  Das sach- und fachbezogene Erschließen von Informationen aus Bildern, Grafiken, Tabellen, fachlichen Symbolen und Graphen wird im Kompetenzbereich Kommunikation explizit als Lernziel aufgeführt. Das Erschließen von biologischen Abbildungen erfordert dabei Fachwissen und Bildlesefähigkeit und stellt Schülerinnen und Schüler oft vor große Schwierigkeiten; sie verstehen Bildinformationen nur oberflächlich und übersehen Details. Ein Grund dafür könnte in der Qualität der kognitiven Aktivitäten während des Prozesses des Bildverstehens liegen. Bislang ist unklar, wie Schülerinnen und Schüler beim Verstehen von komplexen Prozessdarstellungen im Biologieunterricht vorgehen und welche kognitiven Aktivitäten sie zeigen. Des Weiteren gibt es bislang nur wenig Hinweise darauf, inwiefern bestimmte Aktivitätsmuster das Verstehen von Abbildungen fördern. Ziel der Studie ist es daher, auf Grundlage des Modells für Bildverstehen Hinweise darauf zu erhalten, inwieweit sich kognitiven Aktivitäten beim Lesen und Verstehen von Abbildungen des Blutkreislaufes und Kniesehnenreflexes kategorisieren lassen. Des Weiteren wird untersucht, inwieweit sich Aktivitätsmuster differenzieren lassen, die den Erfolg beim Bildverstehen vorhersagen. Zu diesem Zweck wurden Schülerinnen und Schüler der 9. Jahrgangsstufe gebeten zu unterschiedlichen Abbildungsvariationen laut zu denken. Die Protokolle der Schüleräußerungen (N=4351 Äußerungen) wurden analysiert und das individuelle Bildverstehen bewertet, mit Hilfe eines standardisierten Erwartungshorizontes zu Aussagen über den Abbildungsinhalt. Ausgehend von existierenden Systemen wurde durch Inhaltsanalyse ein Kategoriensystem entwickelt, zur Beschreibung der kognitiven Aktivitäten der Schülerinnen und Schüler beim Verstehen von Prozessdarstellungen. Zugrunde liegende Aktivitätsmuster wurden durch explorative Faktorenanalyse untersucht und deren Einfluss auf den Erfolg beim Bildverstehen überprüft. Das Kategoriensystem zur Analyse der kognitiven Aktivitäten während des Verstehens der Abbildungen umfasst 16 Kategorien, die auf unterschiedliche Nutzung des fachlichen Vorwissens sowie auf selektive oder semantische Aktivitäten hinweisen. Es können vier Aktivitätsmuster beschrieben werden: Je häufiger Schülerinnen und Schüler das Aktivitätsmuster „Inferenzen durch Elaboration des Bildinhaltes“ zeigen, also die Abbildungsinformation schrittweise anhand der abgebildeten Darstellungscodes entschlüsseln, und „Inferenzen durch Abruf von Vorwissen“ zeigen, also auf Grundlage der abgelesenen Bildinformation mit Hilfe von individuellem, fachlichem Vorwissen neue Fachinhalte entschlüsseln, desto höher ist das letztlich erreichte Bildverstehen. Die Aktivitätsmuster „Kritik der Abbildung“ und das Aktivitätsmuster „Metakognitive Aktivitäten“ beschreiben Aktivitäten, die sich unabhängig vom abgebildeten Fachinhalt auf die Bewertung der Repräsentationsform an sich oder auf die Selbstreflexion der eigenen Handlungsintentionen beziehen. Beide Aktivitätsmuster haben keinen Einfluss auf den Erfolg beim Bildverstehen.
Durch die Analyse der Protokolle lauten Denkens konnte evidenzbasiertes Wissen darüber abgeleitet werden, welche konkreten kognitiven Aktivitäten das Verstehen von biologietypischen Abbildungen erfordert und welche Aktivitäten auch ohne gehobenes fachliches Vorwissen dazu beitragen können, den Lernprozess mit der Abbildung effektiver zu gestalten. Die Aufklärung spezifischer kognitiver Aktivitäten, die in Zusammenhang mit erfolgreichem Bildverstehen im Fach Biologie beobachtbar sind, können als Ansatzpunkt für die Gestaltung von Lernmaterialien dienen, die Schülerinnen und Schüler gezielt beim Verstehen komplexer biologischer Abbildungen unterstützen.

A variety of visual representations of biological concepts are used vastly as learning material. A category system was developed that allows the systematical characterization of the structure and function of visual representations in biology textbooks. The analysis of 608 representations in current biology textbooks confirmed, that visual representations vary extraordinarily regarding structure, form and function. In addition, biology textbooks are predominated by visual representations that can be characterized as mixtures of different contents (e.g. process and object views) and mixtures of forms (e.g. mix of diagrams, photographs and line drawings). The comprehension of the depicted information is difficult for many students. They understand the visual representations only superficially and oversee signaling cues because students might not engage in appropriate cognitive activities that promote the process of understanding. So far there is little research about the characteristics and patterns of cognitive activities that promote understanding of representations in biology. Analysis of the thinking aloud protocols of 42 students (age 14-15) revealed that students showed a variety of cognitive activities, when they try to understand a visual representation in biology. These activities can be characterized by 16 different categories. 4 underlining patterns of cognitive activities were extracted and analysis suggest that students that more often show activities of “inferences predominated by elaboration of the depicted information”, and “inferences predominated by the recall of adequate prior content knowledge” significantly show better understanding of representation. The patterns are in line with the theoretical cognitive model of understanding of representations that is characterized by two steps: identification and integration.
 
Projektbezogene Publikationen

Brandstetter, M., Florian, C. & Sandmann, A. (angenommen). Abbildungsmerkmale, Vorwissen, Cognitive Load und die Validierung eines Instrumentes zum Verstehen von Prozessdarstellungen in Biologie. In M. Hammann (Hrsg.), Lehr- und Lernforschung in der Biologiedidaktik. Innsbruck: Studien Verlag.

Brandstetter, M., Florian, C. & Sandmann, A. (2016, April). The effect of students' visual reading strategies on understanding representaions in Biology. Vortrag. NARST 2016 Annual International Conference, Baltimore.

Brandstetter, M., Florian, C. & Sandmann, A. (2015). Förderung von konzeptuellem Lernen und (Fach-)Sprache durch Bildverstehen im Fach Biologie. In H. Wendt & W. Bos (Hrsg.), Auf dem Weg zum Ganztagsgymnasium. Erste Ergebnisse der wissenschaftlichen Begleitforschung zum Projekt Ganz In (S. 521-522). Münster, New York: Waxmann.

Brandstetter, M., Florian, C. & Sandmann, A. (2015, September). Factors that influence the understanding of representations visualizing blood circulation. Posterbeitrag. ESERA Conference, Helsinki.

Brandstetter, M., Florian, C. & Sandmann, A. (2015, September). Einfluss von Abbildungsmerkmalen und Vorwissen auf das Bildverstehen. Vortrag. Internationale Tagung der Fachsektion Didaktik der Biologie im VBiO (FDdB), Hamburg.

Brandstetter, M., Florian, C. & Sandmann, A. (2015). Einfluss von Abbildungsmerkmalen und Vorwissen auf das Bildverstehen. In U. Gebhard, M. Hammann & B. Knälmann (Hrsg.), Bildung durch Biologieunterricht. Abstractband (S. 93-94).

Brandstetter, M., Florian, C. & Sandmann, A. (Februar, 2015). Schwierigkeitsbestimmende Merkmale von biologietypischen Abbildungen im Zusammenhang mit Blutkreisauf. Posterbeitrag. 17. Frühjahrsschule der Fachsektion Didaktik der Biologie im VBiO (FDdB), München.

Brandstetter, M., Florian, C. & Sandmann, A. (2014, Februar). Entwicklung eines Kategoriensystems zur Beschreibung der Abbildungen in Biologieschulbüchern. Posterbeitrag. 16. Frühjahrsschule der Fachsektion Didaktik der Biologie im VBiO (FDdB), Trier.