Unterstützung des Problemlösens in Physik durch den Einsatz von Simulationen und die Vorgabe eines strukturierten Kooperationsformats

Fragestellung: Viele Schülerinnen und Schüler müssen bei der Wissensanwendung im naturwissenschaftlichen Unterricht gezielt gefördert werden. In einer empirischen, statistisch abgesicherten Studie wurde untersucht, ob sich dieser Prozess des Problemlösens (1) mit Hilfe von Simulationen und (2) durch strukturierte Kooperation unterstützen lässt. Als Inhalt wurde das Gebiet Gravitation und Keplerbewegung aus der Mechanik gewählt. Einerseits lassen sich zu diesem Inhalt leicht Simulationen entwickeln, andererseits können zu ihm kaum Realexperimente durchgeführt werden. Theorie: Hinsichtlich der Fragstellung können positive Effekte vermutet werden, wenn die Befunde der Expertiseforschung, die Theorie des multimedialen Lernens und des kooperativen Lernens miteinander verknüpft werden: Problemlöseanfänger sind nicht in der Lage, einen Problemstellung tiefgehend zu elaborieren, der Aufbau eines Situationsmodells ist bei ihnen fehleranfällig und für sie kognitiv erheblich belastend. (1) Beim Einsatz von Simulationen werden durch die Interaktionsmöglichkeit die Elaboration der Tiefenstuktur unterstüzt, durch die Veranschaulichung des inhaltlich richtigen Ablaufs ein fehlerhafter Modellaufbau vermieden und das Arbeitsgedächtnis zugunsten des Verständnisses entlastet. (2) In einer kooperativen Lernumgebung wird erfahrungsgemäß nur dann, wenn die nötigen Rahmenbedingungen, z.B. durch das Partnermodell als geeignetes Organisationsmodell, gesichert sind – der Lerninhalt tiefer elaboriert, und ggf. auch bearbeitet. Fehlvorstellungen werden schneller aufgedeckt (3) Es wird angenommen, dass es einen Interaktionseffekt zwischen den beiden Faktoren gibt. Für einen positiven Interaktionseffekt spricht, dass die strukturierte Kooperation einen stärker hypothesengeleiteten Umgang mit den Simulationen nahelegen und für den negativen, dass eine erhöhte kognitive Belastung auftreten könnte. Design: Der Studie liegt ein 2×2 faktorielles Design zugrunde. Die unabhängigen Variablen sind der Faktor „Mediennutzung“ (Ausprägungen: mit bzw. ohne Simulationen) sowie der Faktor „Kooperationsformat“ (Ausprägungen: mit bzw. ohne Partnermodell). Als abhängige Variable wird die Problemlöseleistung erhoben. Die Untersuchung erfolgte unter Kontrolle von Vorwissen, Mediennutzungsgewohnheiten, räumlichem Vorstellungsvermögen und Selbsteinschätzung kognitiver Belastung. An der Studie nahmen ca. 160 Schüler der Sekundarstufe II (Klassen 11 und 12) teil. Ergebnis: Lernende mit niedrigerem domänenspezifischem Vorwissen erzielen durch die Unterstützung mit Simulationen signifikant höhere Problemlöseleistungen, jedoch nur dann, wenn sie während der Lernphase ohne Partnermodell arbeiten. D.h., es wurde eine signifikante, negative Wechselwirkung zwischen den beiden Faktoren festgestellt. Das Partnermodell konnte seine positive Wirkung (vermutlich) wegen fehlender Routine in dieser Form strukturierter Kooperation nicht ganz entfalten.