Forschungsprojekt

Bio-Innovativ LehrLernLabor - Experimentieren im Fach Biologie

verantwortlich: C. Florian, A. Sandmann

Im Rahmen von Bio-Innovativ LehrLernLabor wird ein kompetenzorientiertes Experimentierangebot für verschiedene Schulformen und Jahrgangsstufen entwickelt, welches naturwissenschaftsdidaktische und lernpsychologische Erkenntnisse mit den konkreten Bedarfen und Zielen des Biologieunterrichtes vereint.

TP 1: Individuelle Förderung beim Experimentieren durch Beispiele mit Bild oder Text

2016-2019

verantwortlich: A. VohlC. Florian, A. Sandmann

Die naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung und das Experimentieren haben im kompetenzorientierten Biologieunterricht eine große Bedeutung. Allerdings sind die Lerneffekte beim Experimentieren häufig geringer als erwartet. Ein Ansatz, diesem entgegenzuwirken, ist die evidenzbasierte Weiterentwicklung der Lernaufgaben beim Experimentieren. Effektiv beim Experimentieren könnte das Lernen mit Beispielaufgaben sein. Beispielaufgaben können individuell an das Wissen der Lernenden angepasst werden und den Cognitive Load der Schülerinnen und Schüler verringern. Allerdings ist der hohe Textanteil von Beispielaufgaben für bestimmte Lernende schwierig. Durch den gezielten Einsatz von bildlicher Information könnte dieser Schwierigkeit beim Experimentieren mit Beispielaufgaben begegnet werden.

Vor diesem Hintergrund wird in dieser Studie untersucht, inwieweit Beispielaufgaben mit Text oder Bild die Lerneffekte von Schülerinnen und Schüler zu Beginn der Sekundarstufe I beim Experimentieren stützen. Die Untersuchung erfolgt im Rahmen einer Interventionsstudie mit einem 2x2-Design. Hierzu werden Beispielaufgaben zum Konzept Angepasstheit in Text- und Bildbasis erstellt und als Lernaufgaben beim Experimentieren bei Schülerinnen und Schüler mit unterschiedlichen sprachlichen Vorerfahrungen eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist die evidenzbasierte Weiterentwicklung von Lernformaten zur Förderung von biologischem Fachwissen und zur Förderung des Wissens im Bereich der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung beim Experimentieren im Biologieunterricht.

TP 2: Steigerung des Lerneffekts beim Experimentieren im Fach Biologie durch Selbst- oder Fremderklären

2016-2019

verantwortlich: K. LöppenbergC. Florian, A. Sandmann

Experimentieren ist ein wichtiger Bestandteil des Biologieunterrichts. Besonders das problemorientierte Experimentieren soll dazu beitragen, Fachwissen und Methoden der Erkenntnisgewinnung zu fördern, da Planung, Durchführung und Auswertung von den Lernenden eigenständig zu durchdenken sind. Allerdings wird häufig bemängelt, dass die Lernenden beim Experimentieren gedanklich nur sehr oberflächlich arbeiten. Der Lernerfolgt hängt allerdings stark von den kognitiven Prozessen der Lernenden ab. Eine Möglichkeit, tiefenorientierte kognitive Prozesse beim Experimentieren anzuregen, ist die Strategie des Selbsterklärens beziehungsweise des gegenseitigen Erklärens. Allerdings sind häufig motivationale Anreize notwendig, die das Lernengagement beim Selbst- oder Fremderklären steigern. Eine Variante in diesem Zusammenhang ist der gezielte Einsatz von Tablets. Bisher gibt es jedoch nur wenige Studien, die den Effekt des Erklärens und den Einsatz moderner Medien im Zusammenhang mit Experimentieren im Fach Biologie systematisch untersucht haben.

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Interventionsstudie über den Lerneffekt in den Bereichen Fachwissen und Erkenntnisgewinnung beim Experimentieren zum Thema Verdauung vorgenommen werden. Dabei werden die Form des Erklärens und der Einsatz von Tablets im Zusammenhang mit problemorientiertem Experimentieren systematisch variiert. Durch ein Prä-Post-Design wird der Lernzuwachs in den genannten Bereichen ermittelt. Zudem werden das Experimentieren und die Erklärungen der Lernenden auf Video aufgezeichnet und analysiert. Mit Hilfe der gewonnenen Ergebnisse soll die unterrichtliche Methodik des Experimentierens auf empirischer Basis weiterentwickelt werden.

TP 3: Individuelle Förderung beim Experimentieren im Bereich der Molekulargenetik durch Feedback in Tablet-gestütztem Instruktionsmaterial

2017-2020

verantwortlich: M. Bergmann, C. Florian, A. Sandmann

Die molekularbiologischen Methoden der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und Gelelektrophorese sind abiturrelevante Themen, die im schulischen Biologieunterricht jedoch nur in Ausnahmefällen praktisch durchgeführt werden können. In Schülerlaboren können Lernende selbstständig Experimente durchführen, die diese Methoden beinhalten. Wegen der hohen Komplexität genetischer Fachinhalte ist die individuelle Förderung der Lernenden unter Berücksichtigung ihrer Vorwissensunterschiede notwendig. Elaboriertes Feedback wird als ein sehr wirksamer Einflussfaktor auf den Lernerfolg gesehen und könnte auch das individuelle Lernen von Schülerinnen und Schülern beim Experimentieren im Bereich der Molekulargenetik fördern. Die fortschreitende Entwicklung digitaler Medien ermöglicht es, ein solches Feedback formativ und in digitale Lernumgebungen integriert zu geben.

Im Rahmen dieser Interventionsstudie sollen nach der Entwicklung und Erprobung einer wirksamen digitalen Lernumgebung zum selbständigen Experimentieren im Bereich Molekulargenetik zwei Feedback-Varianten entwickelt werden. Dabei wird das Ziel verfolgt, die Lerneffekte der Lernumgebung im Schülerlabor unter Berücksichtigung von Vorwissensunterschieden zu steigern. Die Feedback-Varianten werden dazu in die neu entwickelte Tablet-gestützte Lernumgebung integriert. Eine Feedback-Variante orientiert sich am Beispiellernen, dessen Lernwirksamkeit speziell für Lernende mit geringeren Vorkenntnissen nachgewiesen ist. Lernende mit höherem Vorwissen profitieren von Lernprozessen mit einem höheren Maß an eigenständiger kognitiver Aktivierung und erhalten als Feedback Variante deswegen aufgabenspezifische Lösungshinweise. Durch die Tablet-gestützte Lernumgebung kann die Differenzierung von Lernenden anhand ihrer Vorwissensstände effizient umgesetzt werden. Darüber hinaus ermöglicht sie ein Lernprozessmonitoring. Daten über den Lernprozess, wie zum Beispiel die Nutzungsdauer der Feedbacks können mit den Lernergebnissen in Beziehung gesetzt werden. Im Rahmen dieses Projektes wird demnach untersucht, inwieweit durch vorwissensangepasstes elaboriertes Feedback die Wirksamkeit einer digitalen Lernumgebung zum selbstständigen Experimentieren im Bereich der Molekulargenetik im Schülerlabor gesteigert werden kann.