Biologiespezifisches Bildverständnis beim Umgang mit multiplen externen Repräsentationen

Entwicklung und Validierung eines Kompetenzmodells zur Integration von Diagrammen und Schemata

  • Promotionsprojekt aus Eigenmitteln
  • Projektlaufzeit: Okt. 2012 - Okt. 2017
  • Wiss. Mitarbeiterin: Christina Beck (Promotion an der TUM)

Naturwissenschaftliche Erkenntnisse werden in der Fachsprache über Multiple Externe Repräsentationen (MER) kommuniziert. Hierzu gehören Texte (kontinuierlicher Text, Tabellen), realistische und logische Bilder (Fotografien, Schemata und Diagramme) sowie vielfältige symbolische Darstellungen (z.B. chemische Strukturformeln oder mathematische Gleichungen), wobei häufig zwei oder mehr von ihnen zur Erläuterung eines biologischen Phänomens kombiniert werden. Insbesondere die genannten bildlichen Darstellungen fungieren im Biologieunterricht einerseits als Lehr- und Lernmittel zur Unterstützung textgebundener Informationsvermittlung. Andererseits sind sie selbst Lerngegenstand z.B. bei der Visualisierung von Verwandschaftsbeziehungen (Familienstammbäume) oder Regelkreisen komplexer biologischer Prozesse sowie bei der Datenauswertung und Ergebnisdarstellung im Rahmen der Erkenntnisgewinnung (Diagramme), da solche logischen Bilder bestimmten Konventionen unterliegen, die nicht intuitiv verständlich sind.

Die gemeinsame Darstellung von einem bzw. mehreren Texten und Bildern im Lernmaterial erfordert darüber hinaus eine representational competence, die nicht allein das Verständnis und die selbstständige Konstruktion dieser Repräsentationen für sich genommen umfasst, sondern ebenfalls die Integration beider sowie die Translation zwischen ihnen. Bei der Integration liefern unter-schiedliche Darstellungstypen i.d.R. einander ergänzende Informationen, die in einem kohärenten mentalen Modell des dargestellten biologischen Konzepts oder Prozess zusammengeführt werden müssen. Dagegen zielt die Translation auf die Übersetzung einer (oder mehrerer) gegebener Repräsentationen in eine (oder mehrere) andere. Werden mehrere Repräsentationen dargeboten, müssen beiden Fähigkeiten ggf. auch kombiniert angewendet werden.

Schwierigkeiten von Schüler/-innen mit MER sowie mit ihrer Integration und Translation machen die Schulung von Kenntnissen und Fähigkeiten zum Umgang mit naturwissenschaftlicher Fachsprache und ihren spezifischen Darstellungen zwingend erforderlich. Entsprechend wird der Erwerb dieser Fähigkeiten und Fertigkeiten in den aktuellen Lehrplänen und Bildungsstandards als bedeutsames Ziel des Biologieunterrichts genannt. Als Grundlage der Förderung und Diagnose der representational competece werden daher fundierte Kompetenzmodelle benötigt, die relevante Kompetenzstrukturen sowie ihre Zusammenhänge darlegen. Aufgrund der Komplexität der Kombinationsmöglichkeiten von Repräsentationen kann jedoch im Rahmen dieses Projekts nur ein ökologisch validier Ausschnitt betrachtet werden.

Zielsetzung der Forschungsarbeit war die theoriegeleitete Entwicklung und empirische Validierung eines Kompetenzstrukturmodells zur Integration von MER für das Ende der Schullaufbahn und damit für die Eingangsvoraussetzungen eines naturwissenschaftlichen Studiums. Basierend auf kognitionspsychologischen Befunden zum Verstehen von Texten, Bildern und Diagrammen wurde ein theoretisches Kompetenzstrukturmodell entwickelt, das als Hauptkomponenten die Fähigkeiten zur Integration von Texten und einem bzw. mehreren unterschiedlichen Bildtypen voneinander unterscheidet. Diese Kompetenzkonstrukte sind durch unterschiedliche Anforderungen an die Fähigkeiten der Testpersonen charakterisiert: es müssen (MER 1) nach erfolgreicher Integration von gegebenem Text und einem Schema bzw. Diagramm eine textliche oder (MER 2) eine bildliche Lösung erstellt werden. (MER 3) diese Komponente ist vergleichbar zu (MER 1) jedoch müssen mehr als eine bildliche Darstellung mit dem Text integriert werden, was den Anforderungen der üblichen Biologieschul- und Lehrbüchern entspricht. Zur differenzierteren Beschreibung der Kompetenzstruktur der Integration von Schemata und Diagrammen wurden Zusammenhänge zwischen den einzelnen Komponenten geklärt und weitere Einflussfaktoren wie der biologische Kontext (Stoffwechselphysiologie, Ökologie, Genetik) und der Bildtyp (Schema, Diagramm) untersucht. Außerdem wurden aus diesen Faktoren die schwierigkeitsbestimmenden Merkmale auf Itemebene bestimmt.

Zur Operationalisierung der drei Kompetenzkonstrukte und für die Itemanalysen wurden aus 210 Testaufgaben in der Pilotierung 36 für die Hauptstudie ausgewählt und für die Testhefte in einem Youden-Square-Design arrangiert. An der Hauptuntersuchung nahmen 548 Studierende der Fachrichtungen Lehramt, Natur- und Ingenieurwissenschaften, Mathematik, Physik, und Informatik teil. Zur Überprüfung der Modellstruktur wurden die Daten mit ein- und mehrdimensionalen IRT-Modellen analysiert. Die Dimensionalität des Kompetenztests wurde mithilfe der informationstheoretischen Maße und anhand der latenten Korrelation zwischen den einzelnen Dimensionen geprüft.

Die postulierte dreidimensionale Modellstruktur konnte nur z.T. empirisch bestätigt werden. Es sind nur die Kompetenzkonstrukte (MER 1) und (MER 2) nach der resultierenden Repräsentation gemäß Modelltestung unterscheidbar, die Berücksichtigung der Anzahl der zu integrierenden Repräsentationen bei (MER3) führt dagegen zu keinem besseren Kompetenzstrukturmodell. Latente Korrelationen deuten auf inhaltliche Zusammenhänge zwischen den Teilkompetenzen hin, erlauben aber eine Differenzierung von MERI und MERII. Zwischen den Teilkompetenzen zeigen sich Unterschiede in den Kompetenzausprägungen. So ist für Studierende die Konstruktionsnahe Integration (MERII) schwieriger als die Informationsentnahmenahe Integration (MERI). Regressionsanalysen bestätigten, dass die Komponenten MERI und MERII einen signifikanten Einfluss auf die Itemschwierigkeit haben, während der Repräsentationstyp nicht statistisch bedeutsam ist. Der Aufgabenkontext Genetik einen signifikanten Einfluss auf die Itemschwierigkeit, die Kontexte Stoffwechsel und Ökologie dagegen nicht. Der inhaltliche Kontext ist damit für die Schwierigkeit einer Aufgabe weniger entscheidend ist als die Anforderung an den Integrationsprozess beim Repräsentationswechsel selbst.

Ausgewählte Publikationen zum Projekt
Beck, C. & Nerdel, C. (2016) Bildverständnis im Biologieunterricht diagnostizieren und fördern. Diagnose, Biologie Unterricht, Bd. 417. Seelze: Friedrich Verlag.

Ergänzendes Arbeitsmaterial zum Artikel