Die Zukunft des MINT-Lernens – Band 2

Im Projekt Open MINT Labs werden virtuelle Labore für die naturwissenschaftlichen Fächer an den weiterführenden Schulen entwickelt und getestet. Ziel der Konzeption ist es, eine digitale Vor- und Nachbereitung realer Experimentiereinheiten anbieten zu können. Dies ermöglicht den Teilnehmenden unter anderem Einblicke in chemische Prozesse, welche in der realen experimentellen Durchführung nicht sichtbar gemacht werden können. Beispielhaft sei hier die Verdeutlichung submikroskopischer Vorgänge auf Teilchenebene genannt. Die projektbegleitende empirische Studie fokussiert auf die Nutzung und Wirksamkeit der virtuellen Labore sowie auf deren Transfer in den schulischen Unterricht. Im Rahmen des vorliegenden Beitrags wird zum einen die Konzeption des virtuellen Labors zum Sauerstoffgehalt eines Gewässers vorgestellt und zum anderen eine Teilstudie präsentiert, in der die Nutzungsmuster der virtuellen Labore („digitale Lernpfade“) anhand der Logfiles der Schülerinnen und Schüler analysiert werden.

Interessen stellen zentrale motivationale Komponenten bei der Auseinandersetzung mit einem Lerngegenstand dar und können als wichtige Prädiktoren für das Lernen angesehen werden. Die Attraktivität einer Lernumgebung kann durch unterschiedliche sogenannte Catch-Komponenten gesteigert werden und so ein situationales Interesse bei den Lernenden auslösen. Dieses gilt es durch den Einsatz sogenannter Hold-Komponenten aufrechtzuerhalten, um individuelles Interesse zu fördern. In diesem Zusammenhang spielen emotionale und wertbezogene Valenzen der Lernenden eine entscheidende Rolle, die durch das Erleben von Autonomie, Kompetenz und sozialer Eingebundenheit positiv beeinflusst werden können. Diese drei psychologischen Grundbedürfnisse werden im Flipped Classroom durch ein selbstbestimmtes und individuelles Lernen mit Erklärvideos, interaktiven Quizfragen und Aufgaben und einen vermehrt auf kooperative und kollaborative Arbeitsphasen ausgerichteten Unterricht in einer besonderen Weise adressiert. In dem Artikel werden die Ergebnisse zur Veränderung des individuellen Interesses aus einer Vergleichsstudie zwischen dem Flipped Classroom und dem klassischen Physikunterricht im Bereich der E-Lehre vorgestellt. In diesem Zusammenhang zeigt sich, dass insbesondere Schülerinnen aus Klassen mit einem naturwissenschaftlichen Schwerpunkt von der Methode Flipped Classroom profitieren und sich somit das aus der Literatur bekannte Auseinanderdriften in den Interessensentwicklungen zwischen Schülerinnen und Schülern aufhalten lässt.

Digitale Medien, wie Smartphones und Tablet-PCs, sind im Alltag weitverbreitet. Die Mobilität dieser Geräte ermöglicht die Durchführung physikalischer Untersuchungen in einer für die Schülerinnen und Schüler alltäglichen, natürlichen Umgebung. Bei der Tablet-PC-gestützten Videoanalyse können natürliche Bewegungsabläufe, wie z. B. das Laufen oder Springen, mithilfe der im Tablet eingebauten Kamera aufgenommen und danach mithilfe geeigneter Apps unter physikalischen Gesichtspunkten analysiert werden. Um den Einsatz solcher digitaler Medien nachhaltig zu gestalten, bedarf es grundlegender, empirisch abgesicherter Aussagen zur Lernwirksamkeit dieser Medien. Aus verschiedenen multimedialen Lerntheorien kann z. B. für die Tablet-PC-gestützte Videoanalyse u. a. eine erhöhte Lernwirksamkeit im Vergleich zu traditionellem Unterricht vermutet werden. Diese Hypothese wurde in mehreren Studien untersucht. Ausgewählte Ergebnisse dieser Studien zu den interventionsinduzierten Emotionen, zur kognitiven Belastung und zum physikalischen Konzeptverständnis werden vorgestellt.

Beim Lernen mit Experimenten spielt insbesondere die Verbindung der experimentellen Realität mit Modellvorstellungen und theoriebasierter Hypothesenbildung eine wichtige Rolle. Im Kontext der geometrischen Optik werden zur Vorhersage und Erklärung von optischen Abbildungen in Linsensystemen die sogenannten Konstruktionsstrahlen genutzt. Traditionell erfolgt die Darstellung der Konstruktionsstrahlen als zweidimensionale schematische Repräsentation jedoch getrennt vom Experiment. Eine Integration oder Ergänzung multimediabasierter Visualisierungen in das Experiment kann es Lernenden bei angemessener Unterstützung erleichtern, eine Verbindung der theoretischen Strahlengänge mit dem realen experimentellen Aufbau herzustellen. Dieser Praxisbericht beschreibt und vergleicht die Erweiterung realer Experimente durch verschiedene Arten virtueller Visualisierungen, sogenannte multiple externale Repräsentationen. Die Gestaltung der Repräsentationen sowie die Beurteilung ihrer Funktionen und wechselseitigen Beeinflussungen erfolgen dabei nach dem DeFT-Framework (Design, Function, Tasks). Zusätzlich berücksichtigt die Einbettung der Visualisierungen die Prinzipien der räumlichen und zeitlichen Kontiguität zur Reduktion lernirrelevanter kognitiver Belastung basierend auf Designprinzipien multimedialen Lernens. Ausgehend von Simulationen über Augmented-Reality-Experimente bis hin zu Virtual-Reality-Experimenten wird das naturwissenschaftliche Phänomen optischer Abbildungen durch Sammellinsen entlang des virtuellen Kontinuums exemplarisch an drei multimedialbasierten Erweiterungen des realen Experiments beschrieben. Die Möglichkeiten zur Einbindung von multiplen externen Repräsentationen werden abschließend vergleichend beschrieben und Vorteile der einzelnen Umsetzungen werden genannt.

Experimente stehen im naturwissenschaftlichen Unterricht nach wie vor im Zentrum des Unterrichtsgeschehens. Durch die Weiterentwicklungen im informationstechnischen Bereich ergänzen inzwischen kostengünstige digitale Technologien und Werkzeuge das Experiment im Unterricht. Die Sekundarstufe I bietet in der 10. Jahrgangsstufe in Bayern zum Thema der Elektrizitätslehre viele Möglichkeiten zur Anwendung einer Augmented-Reality-Lernumgebung. Zum Beispiel können die Applikationen die Modelle der magnetischen Felder sichtbar machen. Sie können jedoch auch zur Darstellung des „Unsichtbaren“, wie z. B. Atome, Elektronen oder Raumladungen, genutzt werden. In diesem Artikel wird das Vorgehen zur Erstellung einer Augmented-Reality-Applikation beschrieben. Ein wichtiger Punkt stellt das Konstrukt der Usability dar, deren Unterkategorie der Nutzerzufriedenheit mittels einer explorativen Mixed-Methods-Studie quantitativ und qualitativ evaluiert wurde. Anhand der Ergebnisse der Interviews wird dargestellt, welche Konsequenzen für die Applikation gezogen wurden.

Mithilfe von HyperDocSystems (HDS), einem von der Fachdidaktik Chemie der TU Kaiserslautern (TUK) entwickelten digitalen Werkzeug, können binnendifferenzierende Arbeitsmaterialien von Lehrkräften erstellt werden. In einer Interventionsstudie wurden die Benutzerfreundlichkeit und das Interesse von Schülerinnen und Schülern beim Bearbeiten der HyperDocs (HD) über eine vierstündige Unterrichtsreihe im Vergleich zu analogen Arbeitsmaterialien im Fach Chemie untersucht. Bei den Analysen wurden Alter und Geschlecht teilnehmender Schülerinnen und Schüler mit einbezogen. Dabei zeigte sich eine hohe Benutzerfreundlichkeit und ein signifikant höheres Interesse gegenüber der Kontrollgruppe. Außerdem ließ sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Benutzerfreundlichkeit und dem Interesse feststellen. HDS kann damit als Catch-Komponente zur Interessensförderung im Unterricht beitragen.

Die Teilhabe an der zunehmend digitalisierten Welt erfordert den Erwerb und die Vermittlung neuer Fähigkeiten. Zu diesen häufig als Key Competencies for Lifelong Learning oder 21^st Century Skills bezeichneten Fähigkeiten, gehören unter anderem auch Problemlösen und Critical Thinking. Die Vermittlung dieser Fähigkeiten stellt aufgrund der Komplexität aktueller Probleme nicht nur inhaltlich eine große Herausforderung dar, sondern auch in Bezug auf die Motivation der Lernenden. Um dieser Problematik zu begegnen, haben wir die digitale Spielumgebung „MINT-Town“ entwickelt, welche durch die gezielte Einbettung von Gamification-Elementen motivierend wirkt und zur Vermittlung von Problemlösen und Critical Thinking genutzt werden kann. In diesem Kapitel stellen wir die Umgebung mit ihren bislang zwei Szenarien mit dem Schwerpunkt Chemie und einem einführenden Tutorial vor. Die mit RPG-Maker MV gestalteten Lernumgebungen sind im Retrodesign gehalten und orientieren sich an frühen Adventure-Games mit Dialogformaten. Sie sind bislang in Vorstudien durch erste Expertenratings evaluiert und weiterentwickelt worden; die Hauptstudie ist zum jetzigen Zeitpunkt für das Frühjahr 2023 vorgesehen.

Künstliche Intelligenz und speziell auch maschinelles Lernen prägen als Technologie vermehrt unseren Alltag und werfen auch Fragen von gesamtgesellschaftlicher Tragweite auf. Die Thematisierung der Grundlagen dieser Verfahren ist damit auch eine schulische Aufgabe. Eine problemlose Einbettung in den existierenden Fachunterricht erscheint aber aus im Beitrag dargelegten Gründen nicht ohne Weiteres möglich, sodass zunächst eine fachdidaktische Aufbereitung der Themen – speziell auch in Form von Unterrichtsmaterial – erfolgen muss. Der Beitrag stellt dazu drei digitale Lernumgebungen vor, die basierend auf gemeinsamen theoretischen Überlegungen verschiedene Ausgestaltungen für Unterricht zu typischen Themen der künstlichen Intelligenz bzw. des maschinellen Lernens darstellen: Perceptren, künstliche neuronale Netze und Verstärkungslernen. Zentral für alle Umgebungen ist ein Element der interaktiven Exploration von Systemen, diese werden durch stärker oder weniger stark geleitete Bearbeitungswege und Aufgaben ergänzt.

Virtuelle Realität (VR) entwickelt sich immer mehr zu einem wichtigen Bildungswerkzeug für den MINT-Bereich. So können VR-Lernumgebungen Lernprozesse im Schulunterricht positiv unterstützen, indem sie beispielsweise unsichtbare Phänomene sichtbar machen (z. B. submikroskopische Vorgänge auf Teilchenebene) oder Orte aufgesucht werden, die normalerweise nicht erreichbar wären (z. B. im Rahmen einer virtuellen Exkursion). Bisher mangelt es im Schulalltag jedoch an geeigneten VR-Lernumgebungen. Dies liegt auch daran, dass potenziellen Entwicklerinnen und Entwicklern bisher keine unterrichtsbezogenen Designkriterien vorliegen, an denen sie sich bei VR-Konzeptionen orientieren könnten. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojekts werden aktuell relevante Kriterien ermittelt und als Gestaltungsprinzipien für die Erstellung von VR-Lernumgebungen formuliert. Das methodische Vorgehen orientiert sich an dem Design-based-Research-Ansatz. Die Ergebnisse der empirischen Studie fokussieren das räumliche Präsenzerleben. Es werden Gestaltungsprinzipien zu den Bereichen „Selbstlokation“, „Handlungsmöglichkeiten“ sowie „Nutzungshäufigkeit“ abgeleitet.