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Wissenselemente und Vorstellungen 6- bis 7-Jähriger erfassen und verändern

Studien zum naturwissenschaftlichen Thema einseitiger Hebel

Die Vorstellungen 6- bis 7-Jähriger bei zweiseitigen Hebeln, z.B. Balkenwaage, wurden in vielen entwicklungs- und lernpsychologischen Studien untersucht (z.B. Siegler, 1976). Über Vorstellungen zu einseitigen Hebeln, z.B. Schubkarre, ist wenig bekannt. Daher wird untersucht, welche Vorstellungen 6- bis 7-Jährige zu einseitigen Hebeln zeigen und welche Impulse die Vorstellungen verändern. Studie I zeigt, dass sich die Aspekte Last, Lastarm und Kraftarm als Wissenselemente einseitiger Hebel abbilden lassen. 6- bis 7-Jährige lösen im Kontext Schubkarre mehr Items zur Last als zum Lastarm und Kraftarm korrekt. Zum Lastarm werden mehr Items korrekt gelöst als zum Kraftarm. In Studie II wird ein 2x2-Design (UV1=verbale Impulse; UV2=Bilder) mit Kontrollgruppe über 3 Zeitpunkte realisiert. Eine handlungsorientierte Intervention in Begleitung von verbalen Impulsen, Bildern oder beidem regt eine Veränderung der Vorstellungen 6- bis 7-Jähriger zu Lastarm und Kraftarm an. Die Ergebnisse bilden einen ersten Schritt zur Entwicklung eines naturwissenschaftlichen Unterrichts zu einseitigen Hebeln.

Titel: Wissenselemente und Vorstellungen 6- bis 7-Jähriger erfassen und verändern
Untertitel: Studien zum naturwissenschaftlichen Thema einseitiger Hebel
Verfasser: Naber, Britta GND
Gutachter: Leuchter, Miriam GND
Organisation: FB 07: Psychologie und Sportwissenschaft
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 2016
Publikation in MIAMI: 12.09.2016
Datum der letzten Änderung: 16.09.2016
Schlagwörter: einseitiger Hebel; Wissenselemente; Veränderung der Vorstellungen; Impulse; Scaffolding; naturwissenschaftlicher Unterricht
Fachgebiete: Psychologie
Sprache: Deutsch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-64279664574
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-64279664574
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Inhalt:
Abstract ...……………………………………………………………………………..3
1 Einleitung ...................................................................................................... 10
2 Sachanalyse: ein- und zweiseitige Hebel .................................................... 16
3 Lern- und entwicklungspsychologische Grundlagen 6- bis 7-
Jähriger ......................................................................................................... 19
4 Naturwissenschaftliches Wissen: Organisation und Arten ...................... 22
4.1 Die Organisation naturwissenschaftlichen Wissens: der
Fragmentierungsansatz ................................................................................... 22
4.2 Arten der Wissensrepräsentationen ................................................................ 26
5 Wissenselemente und Vorstellungen zu Hebeln erfassen und
auswerten ...................................................................................................... 29
5.1 Systematisierung von Aufgaben an der Balkenwaage ................................... 30
5.2 Methoden zur Erfassung der Vorstellungen zu Hebeln .................................. 31
5.3 Methoden zur Auswertung der Vorstellungen ............................................... 34
5.3.1 Analyse von Protokollen/Videos .................................................................... 34
5.3.2 Zuordnung zu Regeln per Entscheidungsbaummethode ................................ 35
5.3.3 Zuordnen zu Regeln per Latenter Klassenanalyse ......................................... 37
5.3.4 Zuordnung zu Regeln per Information Integration Theory ............................ 38
5.3.5 Die Relational Complexity Theory ................................................................. 39
5.3.6 Weitere Auswertungsmethoden ..................................................................... 41
6 Wissenselemente und Vorstellungen zu Kraftverstärkung und
Gleichgewicht bei Hebeln ............................................................................ 42
6.1 Vorstellungen über das Prinzip Kraftverstärkung bei einseitigen Hebeln ..... 43
6.2 Vorstellungen über das Prinzip Gleichgewicht bei zweiseitigen Hebeln....... 44
6.2.1 Vorstellungen zum Wissenselement Gewicht ................................................ 44
6.2.2 Vorstellungen zum Wissenselement Abstand ................................................ 49
6.2.3 Vorstellungen zur Kombination von Gewicht und Abstand .......................... 52
6.3 Fazit: Wissenselemente und Vorstellungen zu Hebeln .................................. 56
7 Die Veränderung von Vorstellungen anregen: Scaffolding und seine
Wirkmechanismen........................................................................................ 58
7.1 Berücksichtigung der Zone der nächsten Entwicklung (ZPD) bei der
Veränderung von Vorstellungen .................................................................... 59
7.2 Scaffolding ..................................................................................................... 60
7.2.1 Scaffolding als Unterstützung von Gruppen .................................................. 60
7.2.2 Kernmerkmale von Scaffolding ..................................................................... 61
7.2.3 Statisches und adaptives Scaffolding ............................................................. 61
7.3 Wirkmechanismus I: inhaltlich strukturierend ............................................... 63
7.3.1 Strukturierung in der Lehr-Lernforschung ..................................................... 64
7.3.2 Inhaltliche Aspekte der Strukturierung .......................................................... 65
7.3.3 Inhaltliche Strukturierung, ausgerichtet an der ZPD ...................................... 66
7.3.4 Herausforderung von inhaltlichen Aspekten der Strukturierung ................... 67
7.4 Wirkmechanismus II: kognitiv aktivierend .................................................... 67
7.5 Bedeutung von Scaffolding und dessen Wirkmechanismen für die
vorliegende Arbeit .......................................................................................... 68
8 Vorstellungen verändern mithilfe von Gegenständen .............................. 72
8.1 Funktionen von Gegenständen ....................................................................... 72
8.2 Herausforderungen bei der Verwendung von Gegenständen ......................... 75
8.3 Vorstellungen verändern mithilfe der Beobachtung von Gegenständen ........ 75
8.4 Vorstellungen verändern mithilfe von Handlungen an Gegenständen ........... 78
8.5 Fazit: Gegenstände können die Veränderung von Vorstellungen
unterstützen .................................................................................................... 80
9 Vorstellungen verändern mithilfe von Bildern .......................................... 82
9.1 Arten von Bildern ........................................................................................... 82
9.2 Affektive und motivationale Funktionen von Bildern ................................... 83
9.3 Kognitive Funktionen von Bildern ................................................................. 84
9.4 Voraussetzungen auf Seiten der Rezipienten und der Bilder ......................... 86
9.5 Vorstellungen verändern mithilfe von Handlung an Gegenständen und
Bildern ............................................................................................................ 88
9.6 Fazit und Vergleich: Vorstellungen verändern mithilfe von
Gegenständen und Bildern ............................................................................. 88
10 Vorstellungen verändern mithilfe verbaler Impulse ................................. 90
10.1 Begriffsbestimmung ‚verbaler Impuls‘ .......................................................... 90
10.2 Arten verbaler Impulse ................................................................................... 91
10.2.1 Aufmerksamkeitslenkende Hinweise geben .................................................. 92
10.2.2 Fragen stellen ................................................................................................. 92
10.2.3 Begründungen einfordern ............................................................................... 93
10.2.4 Ideenaustausch anregen .................................................................................. 95
10.2.5 Zusammenfassungen geben ............................................................................ 95
10.3 Fazit und Bedeutung verbaler Impulse für die vorliegende Arbeit ................ 96
11 Vorstellungen verändern mithilfe verschiedener Kombinationen
von Gegenständen, Bildern und verbalen Impulsen ................................. 98
11.1 Vorstellungen verändern mithilfe von verbalen Impulsen in
Kombination mit Beobachtung von Gegenständen ........................................ 98
11.2 Vorstellungen verändern mithilfe von verbalen Impulsen in
Kombination mit Bildern.............................................................................. 100
11.3 Vorstellungen verändern mithilfe von verbalen Impulsen in
Kombination mit Handlungen an Gegenständen.......................................... 101
11.4 Gegenüberstellung: Vorstellungen verändern mithilfe von verbalen
Impulsen in Kombination mit Handlung am Gegenstand vs. in
Kombination mit Bildern.............................................................................. 104
11.5 Vorstellungen verändern mithilfe einer Kombination von verbalen
Impulsen, Gegenständen und Bildern .......................................................... 105
12 Multimediales Lernen ................................................................................ 107
12.1 Prinzipien des multimedialen Lernens ......................................................... 107
12.2 Bedeutung der Multimedia-Prinzipien für das naturwissenschaftliche
Lernen von Gruppen 6- bis 7-Jähriger ......................................................... 109
13 Der Einfluss kognitiver und verbaler Fähigkeiten auf Vorstellungen
zu Hebeln und deren Veränderung .......................................................... 111
14 Forschungslücke, -vorhaben und Hypothesen ......................................... 114
14.1 Forschungslücke ........................................................................................... 114
14.2 Forschungsvorhaben ..................................................................................... 115
14.3 Hypothesen ................................................................................................... 119
15 Methode Studie I: Erfassung der Wissenselemente und
Vorstellungen zu einseitigen Hebeln ......................................................... 127
15.1 Methodische Vorüberlegungen .................................................................... 127
15.2 Prä-Pilotierung der Befragung zu einseitigen Hebeln .................................. 130
15.2.1 Stichprobe, Items und Ablauf der Prä-Pilotierung ....................................... 130
15.2.2 Ergebnisse, Reflexion der Prä-Pilotierung und Konsequenzen für die
Pilotierung .................................................................................................... 133
15.3 Pilotierung der Befragung zu einseitigen Hebeln ......................................... 134
15.3.1 Stichprobe, Items und Ablauf der Pilotierung .............................................. 134
15.3.2 Reliabilität und Itemschwierigkeit der Pilotierung ...................................... 136
15.3.3 Vorstellungen zu den Aspekten Last, Lastarm und Kraftarm in den
Kontexten Schubkarre, Kiste und Schraubenschlüssel ................................ 138
15.3.4 Reflexion der Pilotierung und Konsequenzen für die
Hauptuntersuchung ....................................................................................... 139
15.4 Items der Hauptuntersuchung ....................................................................... 141
15.5 Erhebungsinstrumente zur Erfassung der kognitiven und verbalen
Fähigkeiten ................................................................................................... 142
15.6 Bestimmung des optimalen Stichprobenumfangs und Wahl des
Signifikanzniveaus ....................................................................................... 143
15.7 Stichprobe der Hauptuntersuchung .............................................................. 144
15.8 Ablauf der Befragung ................................................................................... 145
15.9 Überprüfung der Güte der Befragung zu einseitigen Hebeln ....................... 146
15.9.1 Umgang mit fehlenden Werten und Befragungsversionen A und B ............ 146
15.9.2 Die Aspekte Last, Lastarm und Kraftarm lassen sich empirisch trennen
und als Wissenselemente abbilden (Hypothese 1) ....................................... 149
15.9.3 Objektivität ................................................................................................... 150
15.9.4 Reliabilität .................................................................................................... 150
15.9.5 Validität ........................................................................................................ 151
15.9.6 Itemschwierigkeit ......................................................................................... 152
15.9.7 Trennschärfe ................................................................................................. 152
Ergebnisse Studie I: Vorstellungen 16 6- bis 7-Jähriger zu einseitigen
Hebeln .......................................................................................................... 154
16.1 Verteilung der Antworten auf die drei Antwortoptionen ............................. 154
16.2 Lösen 6- bis 7-Jährige mehr Items zum Gewicht als zum Abstand beim
einseitigen Hebel im Kontext Schubkarre korrekt? (Hypothese 2) .............. 156
16.3 Lösen 6- bis 7-Jährige mehr Items zum Lastarm als zum Kraftarm beim
einseitigen Hebel im Kontext Schubkarre korrekt? (Hypothese 3) .............. 157
16.4 Lösen 6- bis 7-Jährige mehr Items zum Kraftarm im Kontext
Schraubenschlüssel als im Kontext Schubkarre korrekt? (Hypothese 4) ..... 157
16.5 Häufigkeit der Wahl der korrekten Antwortalternative ............................... 158
16.6 Zusammenhang der Vorstellungen mit kognitiven und verbalen
Fähigkeiten (Nebenfragestellung 1) ............................................................. 160
17 Diskussion Studie I: Vorstellungen 6- bis 7-Jähriger zu einseitigen
Hebeln .......................................................................................................... 165
17.1 Zusammenfassungen der wichtigsten Ergebnisse bzgl. der Hypothesen
1 bis 4 und der Nebenfragestellung 1 ........................................................... 165
17.2 Theoretische Bezüge der Vorstellungen zu einseitigen Hebeln ................... 166
17.2.1 Empirische Bestätigung der Wissenselemente Last, Lastarm und
Kraftarm (Hypothese 1)................................................................................ 166
17.2.2 Häufigkeit korrekter Vorstellungen zu Gewicht und Abstand im
Kontext Schubkarre (Hypothese 2) .............................................................. 167
17.2.3 Verortung der Vorstellungen zur Last im Kontext Schubkarre in
bisherigen Forschungsergebnissen ............................................................... 168
17.2.4 Vorstellungen zu Lastarm und Kraftarm unterscheiden sich im Kontext
Schubkarre (Hypothese 3) ............................................................................ 171
17.2.5 Verortung der Vorstellungen zum Lastarm und Kraftarm im Kontext
Schubkarre in bisherigen Forschungsergebnissen ........................................ 173
17.2.6 Vorstellungen zum Kraftarm in verschiedenen Kontexten (Hypothese 4) .. 174
17.2.7 Verortung der Vorstellungen zum Kraftarm in den Kontexten
Schubkarre und Schraubenschlüssel in bisherigen
Forschungsergebnissen ................................................................................. 174
17.2.8 Hinweise auf die Organisation der Wissenselemente und Vorstellungen
zu einseitigen Hebeln ................................................................................... 175
17.2.9 Zusammenhang der Vorstellungen zu einseitigen Hebeln mit kognitiven
und verbalen Fähigkeiten (Nebenfragestellung 1) ....................................... 176
17.3 Methodische Diskussion der Vorgehensweise ............................................. 178
17.3.1 Güte der Befragung ...................................................................................... 178
17.3.2 Mögliche Einflussfaktoren der Befragung auf die Vorstellungen................ 178
17.3.3 Anzahl der zu berücksichtigenden Aspekte bei der Lösung von Items ....... 182
17.3.4 Struktur der Daten ........................................................................................ 183
17.3.5 Bedeutung der Standardabweichungen ........................................................ 184
17.3.6 Erfassung der kognitiven und verbalen Fähigkeiten .................................... 184
17.4 Anregungen für die Praxis ............................................................................ 185
18 Methode Studie II: Veränderungen von Vorstellungen zu Lastarm
und Kraftarm .............................................................................................. 187
18.1 Design Studie II ............................................................................................ 187
18.2 Methodische (Vor-)Überlegungen zur Entwicklung der Intervention ......... 189
18.3 Prä-Pilotierung der Intervention ................................................................... 190
18.3.1 Stichprobe und Ablauf der Prä-Pilotierung .................................................. 190
18.3.2 Ergebnisse, Reflexion und Konsequenzen für die Pilotierung ..................... 192
18.4 Pilotierung der Intervention.......................................................................... 194
18.4.1 Stichprobe der Pilotierung ............................................................................ 194
18.4.2 Ablauf der Pilotierung .................................................................................. 195
18.4.3 Ergebnisse der Pilotierung............................................................................ 200
18.4.4 Reflexion der Pilotierung und Konsequenzen für die
Hauptuntersuchung ....................................................................................... 203
18.5 Stichprobe der Hauptuntersuchung .............................................................. 207
18.6 Ablauf der Intervention der Hauptuntersuchung .......................................... 208
18.6.1 Basisintervention (EG 4) .............................................................................. 211
18.6.2 Intervention mit Bildern (EG 3) ................................................................... 211
18.6.3 Intervention mit verbalen Impulsen (EG 2) ................................................. 213
18.6.4 Intervention mit verbalen Impulsen und Bildern (EG 1) ............................. 213
18.6.5 Kontrollgruppe (KG) .................................................................................... 213
18.7 Erhebungsinstrumente .................................................................................. 213
18.7.1 Erfassung der Vorstellungen zu einseitigen Hebeln in den Kontexten
Schubkarre und Hebelmodell ....................................................................... 213
18.7.2 Erfassung der kognitiven und verbalen Fähigkeiten .................................... 215
19 Ergebnisse Studie II: Veränderungen der Vorstellungen zu
Lastarm und Kraftarm .............................................................................. 216
19.1 Vorüberlegungen zur Hypothesenauswertung ............................................. 216
19.2 Ergebnisse der Interventionsstudie ............................................................... 220
19.2.1 Die handlungsorientierte Basisintervention führt zu gleich vielen
korrekt gelösten Items wie keine Intervention (Hypothese 5) ..................... 220
19.2.2 Übersicht der Ergebnisse im Kontext Schubkarre ....................................... 221
19.2.3 Die handlungsorientierte Intervention mit weiteren Impulsen führt meist
zu mehr korrekt gelösten Items im Kontext Schubkarre als die
handlungsorientierte Intervention (Hypothese 6) ......................................... 222
19.2.4 Die Annahme ,verbale Impulse + Bilder‘ > ‚verbale Impulse‘ >
‚Bilder‘ > ‚Basisintervention‘ wird für den Kontext Schubkarre nicht
bestätigt (Hypothese 7) ................................................................................. 224
19.2.5 Beim Kraftarm gelingt eine Übertragung der Vorstellungen auf den
neuen Kontext Hebelmodell (Hypothese 8) ................................................. 226
19.2.6 Die Annahme ,verbale Impulse + Bilder‘ > ‚verbale Impulse‘ >
‚Bilder‘ > ‚Basisintervention‘ wird für den Kontext Hebelmodell nicht
bestätigt (Hypothese 9) ................................................................................. 228
19.2.7 Kognitive und verbale Fähigkeiten haben kaum Einfluss auf die Anzahl
korrekter Vorstellungen nach der Intervention (Nebenfragestellung 2) ...... 229
Diskussion Studie II: Veränderungen 20 der Vorstellungen zu
Lastarm und Kraftarm .............................................................................. 232
20.1 Zusammenfassung der Ergebnisse ............................................................... 232
20.2 Theoretische Bezüge der Ergebnisse ............................................................ 234
20.3 Methodische Diskussion der Vorgehensweise ............................................. 245
20.4 Anregungen für die Praxis ............................................................................ 250
21 Generelle Diskussion .................................................................................. 253
21.1 Zusammenfassung der Ergebnisse von Studie I und Studie II ..................... 253
21.2 Limitationen ................................................................................................. 254
21.3 Implikationen für zukünftige Forschung – Optimierungsmöglichkeiten
und Ausblick................................................................................................. 256
21.3.1 Optimierungen bzgl. der Erfassung der Vorstellungen ................................ 256
21.3.2 Optimierungen bzgl. der Veränderung der Vorstellungen ........................... 259
21.3.3 Weiterführende Fragestellungen .................................................................. 261
22 Fazit ............................................................................................................. 265
Literaturverzeichnis....…………………………………………………………......268
Abbildungsverzeichnis....…………………………………………………………..294
Tabellenverzeichnis………………………………………………………………...296
Lebenslauf………………………………………………………………………..…298
Dank.………………………………………………………………………………...299
Erklärung………………………………………………………………………...…300
A Anhang……………………………………………………………………….......301