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Sitzungsübersicht
Sitzung
F9–1.19: Digitale Medien und Unterricht
Zeit:
Freitag, 27.03.2020:
9:00 - 10:45

Ort: 1.19

Präsentationen

Lernen mit multiplen Repräsentationen bei Physik-Experimenten mit mobiler Videoanalyse - Einfluss auf Konzeptverständnis, kognitive Belastung und Emotion

Sebastian Becker, Pascal Klein, Jochen Kuhn

TU Kaiserslautern, Deutschland

1 Theoretischer Hintergrund
Für das Lernen in den Naturwissenschaften wird multiplen, externen Repräsentationsformen (meR) eine lernwirksame Rolle zugeschrieben (Tytler, Prain, Hubber & Waldrip, 2013), ihr Einsatz kann jedoch auch die kognitive Belastung der Lernenden erhöhen (De Jong et al., 1998). Technologie-Unterstützung kann dazu beitragen, diese Belastung zu reduzieren und damit die lernförderliche Wirkung von meR zu fördern (z.B. Horz, Schnotz, Plass, Moreno & Brünken, 2009). Plass und Kalyuga (2019) sehen in der Verarbeitung von (negativen) Emotionen eine Quelle zusätzlicher kognitiver Belastung. Auf diesem Wege könnte der multimediale Einsatz eine zusätzliche Reduktion der kognitiven Belastung durch eine positive Beeinflussung des emotionalen Zustands bedingen.
2 Fragestellung
Obwohl Experimente beim naturwissenschaftlichen Lernen eine Schlüsselrolle einnehmen (z.B. Haury & Rillero, 1994), sind Wirksamkeitsstudien zur Integration multimedialer Lernwerkzeuge in Experiment-basierten Lernprozessen noch immer rar gesät (Oliveira et al., 2019). Hillmayr, Reinhold, Ziernwald und Reiss (2017) konnten in einer Metastudie nachweisen, dass der Einsatz digitaler Medien zu einer Steigerung der Motivation und einer positiveren Einstellung gegenüber dem jeweiligen Fach führt. Es ist somit naheliegend, dass Technologie-Unterstützung auch einen positiven Einfluss auf den emotionalen Zustand der Lernenden hat.
Diese Studie fokussiert dem folgend auf die Untersuchung der Wirkung eines speziellen digitalen Lernwerkzeugs, der Tablet-PC-gestützten Videoanalyse, in einem Experiment-basierten Unterrichtsszenario bezüglich der folgenden vier Fragestellungen:

Führt der Multimedia-Einsatz ...

1. ... zu einer signifikanten Reduzierung der kognitiven Belastung?
2. ... zu einem besseren Verständnis der adressierten physikalischen Konzepte?
3. ... zu einer positiven Beeinflussung des emotionalen Zustands?
4. Kann ein kausaler Zusammenhang zwischen emotionalem Zustand und kognitiver Belastung statistisch gestützt werden?
3 Methode
In einer quasi-experimentellen Feldstudie (N = 216 matched samples) wurden Physik-Kurse der Eingangsphase der Sekundarstufe 2 an verschiedenen Gymnasien randomisiert einer Interventionsgruppe (IG, N = 108) und einer Kontrollgruppe (KG, N = 105) zugeordnet. Während die Lernenden der IG einen Tablet-PC mit einer Videoanalyse-Applikation zur Erfassung und Visualisierung von Messdaten verwendeten, nutzten die Lernenden der KG traditionelle Experimentiermaterialien. Nach einem Prä-Leistungstest (Becker, Klein, Gößling & Kuhn, 2019; Becker, Klein & Kuhn, 2018) folgte die Unterrichtssequenz, welche auf die Förderung des physikalischen Konzeptverständnisses durch kooperatives Experimentieren in Kleingruppen fokussierte. Unmittelbar anschließend beantworteten die Lernenden Fragebögen zur kognitiven Belastung (Cognitive Load Scale, Leppink, Paas, van der Vleuten, van Gog & van Merriënboer, 2013) und dem emotionalen Zustand (Achievement Emotions Questionnaire, Pekrun, Frenzel, Barchfeld & Perry, 2011; Pekrun, Götz, Titz & Perry, 2002) und absolvierten den Post-Leistungstest.
4 Ergebnisse
Mittels einer linearen Mischeffektmodellierung mit dem between-Faktor Lernbedingung und within-Faktor Zeit (Prä- und Posttest) konnte ein signifikanter Interaktionseffekt identifiziert werden (F(1, 214) = 19.00, p < 10-3 , η2 = 0.082, 1−β = 0.992). Eine Varianzanalyse der kognitiven Belastungsskala zeigte einen signifikanten Effekt zu Gunsten der IG bezüglich der lernirrelevanten Belastung (F(1,208) = 21.43, p < 10-3, η2 = 0.093, 1 − β = 0.997). Auch in der Varianzanalyse der Emotionsskala zeigten sich signifikante Effekte zu Gunsten der IG, sowohl für positive Emotionen (F (1, 207) = 10.54, p = 0.001, η2 = 0.048, 1−β = 0.902) als auch für negative Emotionen (F(1,207) = 16.70, p < 10-3, η2 = 0.076, 1−β=0.985). Darüber hinaus konnte theoriekonform mittels einer Strukturgleichungsanalyse eine positive Wirkung von negativen Emotionen (b = 0.663, se = 0.102, z = 6.238, p < 10-3, β = 0.714) sowie eine negative Wirkung von positiven Emotionen (b = −0.268, se = 0.110, z = −2.439, p = 0.015, β = −0.389) auf die lernirrelevante kognitive Belastung statistisch nachgewiesen werden.

Die lernförderliche Wirkung der Tablet-PC-gestützten Videoanalyse von Bewegungen können rekurrierend auf fundamentale Lerntheorien (DeFT(Ainsworth, 2006), CLT(Sweller, van Merriënboer & Paas, 2019), CTML(Mayer, 2005)) diskutiert werden. Der Wirkzusammenhang zwischen Emotionen und kognitiver Belastung kann darüber hinaus auf das ICALM Modell (Plass & Kaplan, 2016) theoretisch gestützt werden.



Zur Erfassung freizeitlichen Leseverhaltens junger Erwachsener: Eignet sich hierfür der Titelrekognitionstest?

Maximilian Pfost, Verena Schnabel, Franziska Locher

Otto-Friedrich-Universität Bamberg, Deutschland

Zentraler Einflussfaktor für die Entwicklung der Fähigkeit zum verstehenden Lesen von Texten ist die Aktivität des Lesens an sich, insbesondere das Lesen von Büchern (Anderson, Wilson & Fielding, 1988; Pfost, Dörfler & Artelt, 2013). Für die Erfassung von Leseaktivitäten hat sich dabei ein breites Spektrum an Methoden mit jeweils entsprechenden Vor- und Nachteilen etabliert. Neben retrospektiven Globalurteilen und textspezifischen Urteilen (vgl. Locher & Pfost, 2019) sowie Lesetagebüchern (z.B. Anderson et al., 1988; Nieuwenboom, 2008) haben vor allem auch die indirekten Messverfahren wie Titel- und Autorenrekognitionstests (TRT & ART; z.B. Schroeder, Segbers & Schröter, 2016; Stanovich & West, 1989) Eingang in die Forschung gefunden. Dabei müssen bei Rekognitionsverfahren Teilnehmende aus einer vorgegebenen Liste von Buchtiteln (TRT) beziehungsweise Autoren (ART) diejenigen kennzeichnen, die sie (wieder-)erkennen. Angenommen wird, dass dies ein Indikator für das Lesevolumen der Personen ist. Den Stellenwert dieser Tests in der Forschung verdeutlicht besonders die meta-analytische Arbeit von Mol und Bus (2011), welche knapp einhundert Studien, in denen entsprechende Rekognitionstests verwendet wurden, analysierte. Im Mittel zeigten sich in dieser Studie deutlich positive Zusammenhänge mit sprachlichen und schriftsprachlichen Kompetenzen. Nichtsdestotrotz bleibt die Frage, was genau diese indirekten Testverfahren tatsächlich erfassen, größtenteils ungeklärt. Zwar wird aus theoretischer Perspektive häufig der Vorteil der Vermeidung von Effekten sozialer Erwünschtheit von Verfechtern dieser Methode angeführt, dafür werden jedoch zahlreiche andere Verzerrungen (zum Beispiel bedeutet das Kennen eines Buchtitels nicht zwangsweise, dass das Buch auch gelesen wurde) in Kauf genommen. Aus diagnostischer Perspektive stellt sich daher die Frage nach dem Zusammenhang zwischen Testergebnissen aus dem TRT mit anderen Verfahren zur Erfassung von Leseverhalten. Darüber hinaus soll exploriert werden, in wie fern sich auch vergleichbare Zusammenhänge zu Konstrukten wie der Lesemotivation über verschiedene Messverfahren zeigen.

Zur Untersuchung dieser Fragestellungen wurde unter Berücksichtigung gängiger Verfahrensbeschreibungen (z.B. Masterson & Hayes, 2007) ein Titelrekognitionstest zusammengestellt. Dabei wurde darauf geachtet, dass neben populären „Klassikern“ auch aktuelle Buchtitel mitaufgenommen werden. Zusätzlich wurden, in Anlehnung an existierende Buchtitel, falsche nicht existente Buchtitel dargeboten. Zusammen mit anderen Maßen zur Erfassung des Leseverhaltens sowie weiteren, für die Leseentwicklung zentralen Variablen (z.B. Lesemotivation und Selbstwirksamkeitserwartung, Schulnoten) wurde dieser Test von zwei Stichproben Studierender (N = 91 und N = 35) aus dem humanwissenschaftlichen Fächerkanon bearbeitet. Es sei angemerkt, dass der Test aus der ersten Erhebung für die zweite Erhebung überarbeitet wurde, sodass zwei ähnliche, jedoch nicht identische TRTs im Einsatz waren.

Im Hinblick auf die interne Konsistenz und Reliabilität erweisen sich die beiden eingesetzten TRTs als ausreichend reliabel (u.a. Cronbachs α = .70/.76, Studie 1/2). Eine positive Korrelation korrekt erkannter Buchtitel (hit-rate) mit fälschlich „erkannten“ nicht existenten Buchtiteln (false-rate) von r =.31/.35 könnte ein Hinweis auf Antworttendenzen im Sinne einer Ja-sage-Tendenz sein. Bezüglich anderer etablierter Instrumente zur Erfassung des Leseverhaltens zeigen sich vielfach nur geringe Zusammenhänge. Mit einer Globaleinschätzung zur täglichen Lesezeit ergab sich eine statistisch nicht bedeutsame Korrelation von r = .10/-.06. Mit einer Einschätzung zur Anzahl gelesener Bücher in den letzten 12 Monaten fiel die Korrelation höher aus (r = .27, Studie 1). Für Angaben zur Lesezeit gemessen mittels elektronischem Lesetagebuch, zeigte sich eine Korrelation von r = .22 (ns., Studie 2). Auch in Hinblick auf Zusammenhänge mit weiteren Maßen wie der Lesefreude (r = .29, Studie 1) fielen die gefunden Zusammenhänge eher, insbesondere im Vergleich mit den Korrelationen basierend auf den Globalratings (r = 57, Studie 1), gering aus.

Die gefunden (tendenziell geringen) Zusammenhänge des TRTs mit verschiedenen anderen Maßen zum Leseverhalten machen deutlich, dass exploriert werden sollte, was genau dieses Verfahren eigentlich erfasst. Eine in der Diskussion bislang wenig berücksichtigte Frage ist beispielsweise, welche Rolle die Tatsache spielt, ob bestimmte Buchtitel verfilmt wurden, oder welchem Genre ein Buchtitel angehört.



Das virtuelle Arbeitsmittel Prozentband – Ergebnisse zu Lernerfolgsmaßen und Strategiewahl bei einer Interventionsstudie im gymnasialen Mathematikunterricht der Klasse 6

Alexander Willms, Ufer Stefan

Ludwig-Maximilians-Universität München, Deutschland

Forschungsstand
Im Zuge der Diskussion über die Digitalisierung an den Schulen wird der Einsatz von virtuellen Arbeitsmitteln im Mathematikunterricht als eine effektive Technik zum Aufbau von konzeptuellem Verständnis vorgeschlagen (Moyer-Packenham et al., 2013). Als zugrunde liegender Wirkmechanismus wird hierbei häufig die Verknüpfung verschieden strukturierter Darstellungen (Bruner, 1966; Duval, 2006) und der daraus resultierende Aufbau einer zum Arbeitsmittel strukturähnlichen mentalen Repräsentation genannt (Schnotz & Bannert, 2003). Als potentiell hilfreich gesehen wird hier auch, verschieden strukturierte Darstellungen in eine gemeinsame Visualisierung zu integrieren (Ainsworth, 2006). Ein alternativer Erklärungsansatz besteht in der Verwendung graphischer Darstellungen als Visualisierungsstrategie bei der Lösung der vorgegebenen Aufgabe, ohne zwingend eine mentale Repräsentation aufzubauen (Schukajlow, 2011).

Das Forschungsprojekt ViPro („Visualisierungen und Arbeitsmittel in der Prozentrechnung“) untersucht die Auswirkungen virtueller Arbeitsmittel am Beispiel einer tablet-basierten Version der sogenannten double number line (DNL, Prozentband). Diese besteht aus zwei Skalen, einer für Prozentwerte und einer für Prozentsätze. Beide Skalen sind verknüpfbar und jeweils durch das Ziehen mit dem Finger skalierbar.

Zur Bearbeitung einfacher Anwendungsaufgaben aus dem Themenbereich Prozentrechnung wird häufig eine Dreisatztabelle als übliche Darstellung herangezogen. Die double number line bietet eine alternative Darstellung für solche Aufgaben, die die Verhältnisse zwischen den in der Aufgabe gegebenen Größen visualisiert. Offen ist, unter welchen Bedingungen eine zusätzliche dynamische Visualisierung durch die double number line lernförderliche Wirkungen entfaltet.
Fragestellung
1. Hat die getrennte bzw. mit der Dreisatztabelle integrierte dynamische Visualisierung durch eine DNL im Vergleich zu Unterricht ohne eine solche Visualisierung positive Auswirkungen auf den Lernerfolg im Prozentrechnen?
2. Zeigen Lernende, die die DNL als Visualisierungsstrategie übernehmen, eine stärkeren Lernzuwachs im Prozentrechnen als Lernende, die dies nicht tun?
Methode
An der Studie im Prä-Post-Test-Design nahmen N=338 Schülerinnen und Schüler der sechsten Jahrgangsstufe an 14 Gymnasien in München und Umgebung teil. Für den Prä-Test wurde eine Skala zum Vorwissen zur Prozentrechnung (6 Items, z.B. „Berechne 30 % von 170.“) entwickelt.

Während der anschließenden 90-minütigen tablet-gestützten Intervention zum Thema „Erhöhter bzw. Verminderter Grundwert“ wurde jede Klasse zufällig in drei Gruppen geteilt. In der Kontrollgruppe wurde nur der Dreisatz zur Lösung von Aufgaben der Prozentrechnung thematisiert. In der Experimentalgruppe 1 wurde zusätzlich die DNL als eigenständige Visualisierung eingeführt, in der Experimentalgruppe 2 wurden die DNL und die Dreisatzdarstellung in einer integrierten Visualisierung verwendet.

Im Post-Test wurden 9 Items zum Thema „erhöhter bzw. verminderter Grundwert“ entwickelt (z.B. „Der Preis einer CD wird um 14 % reduziert. Nun kostet die CD noch 12,90 €. Wie viel kostete die CD ursprünglich?“). Für jede Lösung wurde auch kodiert, ob eine double number line zur Visualisierung genutzt wurde.
Ergebnisse
Die entwickelten Skalen zeigen gute interne Konsistenzen (α=.76-.84). In die Analysen mit linearen Mischmodellen wurden neben dem Gruppenfaktor das Vorwissen als Kovariate einbezogen. Klassenunterschiede wurden mit einem Zufallsfaktor kontrolliert.

Im Prä-Test zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen (F(2;310,7)=0,09; p=.91). Im Post-Test zeigten sich ebenfalls keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen (F(2;275,9)=0,19; p=.82).

Nur eine Lernende der Kontrollgruppe nutzte die DNL im Post-Test als Visualisierung. Lernende der Experimentalgruppen, die die DNL im Post-Test mindestens einmal als Visualisierung einsetzten (39 % der Lernenden), zeigten einen stärkeren Lernzuwachs als Lernende, die die DNL nicht nutzen (B=0.065, p<.05), jedoch keine signifikant besseren Leistungen im Prä-Test (B=-0.042, p=.27).
Diskussion
Die Studie weist darauf hin, dass die Integration der double number line mit der Dreisatzdarstellung nicht per se relevant für einen Leistungszuwachs in der Prozentrechnung ist. Vielmehr scheint relevant zu sein, ob die Lernenden die Struktur der double number line für eigene Visualisierungsstrategien übernehmen oder nicht. Weitere Forschung sollte hier untersuchen, unter welchen instruktionalen Rahmenbedingungen die Lernenden zur Verwendung hilfreicher Visualisierungen angeregt werden können und was die Lernenden auszeichnet, die diese Visualisierungsstrategie nutzen.



Improving socio-emotional competencies for building productive teacher-student relationship. Results of two experimental studies on a video-based online training program

Michel Knigge, Karsten Krauskopf, Simon Wagner

Universität Potsdam, Deutschland

Relationship quality between teachers and their students are a critical aspect for wellbeing and effective learning in school. Accordingly, teacher training should promote competencies for creating and maintaining positive relationships in the classroom. There is theory and evidence that socio-emotional competencies (SEC) of teachers are crucial for the establishment of productive teacher-student relationships.

Jennings and Greenberg (2009) developed the prosocial classroom model that states with reference to a broad array of empirical evidence that teachers’ SEC and their well-being influence healthy teacher-student relationships alongside an effective classroom management, and an effective social and emotional learning environment for students. However, theoretically social aspects of SEC can be divided into cognitive and affective components. Such distinctions are rooted in social psychology (Davis, 1983a; Kanske et al., 2016) and two main facets can be described: (cognitive) perspective taking (PT) and (affective) empathic concern (EC). While PT describes the ability to assess situations from the perspective of that of another person, EC refers to a person’s tendency to experience similar emotions as an observed person. As research indicates, PT and EC can be quite powerful and they are distinct in their effects. For example, Vorauer & Quesnel (2016) showed in a study that if a member of a majority group shows high PT toward a member of a minority group, the latter reports more positive self-descriptions. But there is no such effect, if the majority group shows higher levels of EC. Also there is evidence for interactions between the constructs in such a way that higher EC can inhibit PT in affectively loaded situations (Kanske et al., 2016). Furthermore, there is initial evidence regarding teacher training that EC can be a positive predictor for developing higher teaching specific self-efficacy (Krauskopf & Knigge, in print). Accordingly, EC and PT seem to interact in rather complex ways in affective learning.

In Germany, corresponding affective learning objectives are rather underrepresented in the university based teacher training programs. Accordingly, there are attempts to fill this gap. However, explicitly intended socio-emotional learning in teacher education is scarce. The Helga-Breuninger-Foundation developed a video-based online training (Intus3) that intends to focus on student teachers’ interpersonal competencies. By reflecting on staged videos, participating (pre-service) teachers are supposed to increase their awareness of interpersonal cues by training perspective taking, empathy and reflection of intuitive responses. Although this training is well designed, there is only little empirical evidence in general and so far no experimental research investigating the effects of Intus3.

Accordingly, we investigated whether this program is able to improve the capacities of student teachers’ interpersonal competencies, affective well-being and affective attitudes towards challenging students.

We conducted two randomized experimental studies (n1=132, n2=242) within lectures in teacher education at the University of Potsdam introducing the basics of inclusive education in two consecutive semesters. We compared groups first working with Intus3 to waiting control groups that wrote an expository text based on empirical research discussing the relevance of teacher-student-relationships with a longitudinal design with four measurement points.

Latent change models showed that prior work with Intus3 showed few effects but complex effects in comparison the prior text work groups. In the larger and extended study 2 an increase of empathic concern was significant after the prior work with Intus3.

The results will be discussed with the perspective of the potential of further development of online training courses for affective learning for teachers and teacher students.