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Projekt

Ressourcenadaptiver Einsatz dynamischer Visualisierungen zur Unterstützung des Verständnisses für naturwissenschaftliche Zusammenhänge

Arbeitsgruppe Multimodale Interaktion

Laufzeit

Januar 2007 - Dezember 2009

Förderung

Wettbewerbsfonds 2006 der Leibniz-Gemeinschaft im Rahmen des "Pakts für Forschung und Innovation"

Projektbeschreibung

Das Forschungsvorhaben basierte auf der Grundidee, dass ein erfolgreicher Wissenserwerb mit dynamischen Visualisierungen ein ressourcenintensiver Prozess ist, der die simultane und optimierte Verfügbarkeit verschiedener Lernressourcen voraussetzt. Dazu gehören vor allem verschiedene Verarbeitungskapazitäten des menschlichen kognitiven Systems, Funktionalitäten der eingesetzten Computertechnologie sowie fachwissenschaftlich und fachdidaktisch fundierte Inhalte und Darstellungsweisen. Das instruktionale Potenzial dynamischer Visualisierungen kann sich dementsprechend nur dann effektiv entfalten, wenn in einem konkreten Wissenserwerbsszenario diese verschiedenen Lernressourcen gut aufeinander abgestimmt verfügbar sind. Diese Hypothese wurde innerhalb einer naturwissenschaftlichen Domäne, der Lokomotion von Fischen, untersucht, und zwar sowohl in formellen (z.B. Schule, Universität) als auch in informellen Lernkontexten (z.B. Aquarium, Tauchexkursion).

Netzwerkartige Projektstruktur und ihre Vorteile

    Projektstruktur
  • Interdisziplinäre Ressourcenoptimierung beim Lernen mit dynamischen Visualisierungen
  • Entwicklung instruktionaler Materialien, die hohen Standards entsprechen, bezüglich
    • der wissenschaftlichen Inhaltsdomäne
    • der Computertechnologie
    • und den Beschränkungen des kognitiven Systems
  • Innovative Lernszenarien (z.B. situiertes mobiles Lernen)
  • Erstellung eines Endprodukts für komplexes und situiertes Lernen (z.B. Aquarien, Tauchexkursionen)
 

Naturwissenschaftlicher Gegenstandsbereich

International vergleichende Bildungsstudien (PISA, TIMSS) haben deutlich gezeigt, dass die Leistungen deutscher Schüler in den Naturwissenschaften gerade im Bereich des Verständnisses für komplexe dynamische Zusammenhänge erheblich verbesserungsfähig sind. Naturwissenschaftliche Verständnisschwierigkeiten beziehen sich dabei häufig auf die Komplexität, Geschwindigkeit oder Größenordnung von dynamischen Zusammenhängen sowie auf das Spannungsverhältnis zwischen konkreten Objektkonfigurationen und den zugrunde liegenden abstrakten wissenschaftlichen Konzepten und Theorien.

Mit der Domäne Fischlokomotion wurde ein besonders geeigneter Inhaltsbereich für die Untersuchung des instruktionalen Potentials dynamischer Visualisierungen zum Verständnis naturwissenschaftlicher Zusammenhänge herausgegriffen, da hier

  • komplexe dynamische Zusammenhänge aus interdisziplinärer Perspektive (z.B. Biologie und Physik) betrachtet werden können,
  • lernplanrelevante Kernkonzepte von hoher gesellschaftlicher Bedeutung eingeführt werden können (z.B. Evolution, Erhaltung von Biodiversität, Ökosysteme),
  • auf unterschiedlichen Komplexitätsniveaus für verschiedene Altersgruppen relevante Themen behandelt werden können.

Konkrete Gegenstandsbereiche der Domäne, anhand derer die Lernwirksamkeit dynamischer Visualisierungen untersucht wurden, sind u.a. die Klassifikation der unterschiedlichen Fischbewegungen sowie die den Fischbewegungen zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien und Kräfte. Diese beiden Inhalte sind auch grundlegende Bestandteile, um die Zusammenhänge der evolutionären Adaption verschiedener Fischarten und den damit assoziierten Fischbewegungen zu verstehen.

Physikalische Prinzipien: grundlegende Kinematik
Physikalische Prinzipien
Biodiversität: Klassifikation der Lokomotion
Biodiversität

Fragestellungen

Ziel dieses Projekts war es, das Verständnis für dynamische Prozesse innerhalb naturwissenschaftlicher Zusammenhänge zu fördern. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die lernförderliche Gestaltung dynamischer Visualisierungen unter Berücksichtigung und Weiterentwicklung kognitions- und medienpsychologischer Erkenntnisse gelegt. In diesem Kontext wurden folgende Aspekte erforscht:

  • Mentale Ressourcen
    • Verarbeitungskapazität, Arbeitsgedächtnis
    • Aufmerksamkeit
    • Modalitäts- und kodalitätsspezifische Verarbeitungskanäle
  • Lernervoraussetzungen
    • Domänenspezifische Wissensstrukturen im Langzeitgedächtnis
    • Expertise mit Bezug auf kognitive und metakognitive Verarbeitungsstrategien
    • Räumliches Vorstellungsvermögen, visuelle Literacy

Unterschiedliche Untersuchungen befassten sich hierbei mit den Vor- und Nachteilen dynamischer gegenüber statischen Visualisierungen und der Frage, welchen Realismusgrad eine lerneffiziente Visualisierung haben sollte. Des Weiteren wurden prozessnahe Betrachtungsweisen der Verarbeitung von Visualisierungen (Eyetracking, verbale Protokolle), die Rolle des Vorwissens (unterschiedliche Expertiseniveaus) sowie das Training dieser Prozesse mittels Blickbewegungsmodellierung untersucht.

Materialbeispiele aus verschiedenen Untersuchungen:
Materialbeispiele

 

Kooperationspartner

Netzwerk 1: Tübinger Gruppe

Netzwerk 2: Internationale Teilnehmer

  • CNTI: Cyprus Neuroscience and Technology Institute
    (Nicosia, Cyprus, Yiannis Laouris, Loredana Ioana Mihalka)
  • Curtin University (Perth, Australia, Ric Lowe)
  • OTEC: Onderwijstechnologisch Expertisecentrum of the Open University of the Netherlands
    (Heerlen, The Netherlands, Fred Paas, Tamara van Gog)
  • LEAD (CNRS): Laboratoire D'etude del'apprentissage et du developpement
    (Dijon, France, Jean-Michel Boucheix, Emmanuel Schneider)
  • TECFA: Technologies de Formation et Apprentissage
    (Geneve, Switzerland, Mireille Betrancourt, Cyril Rébetez)
  • University of Rotterdam (Rotterdam, The Netherlands, Huib Tabbers, Björn de Koning)
  • LSRI: Learning Sciences Research Institute
    (Nottingham, GB, Shaaron Ainsworth)

Netzwerk 3: Außeruniversitäre Partner

  • Aquarium des zoologisch botanischen Gartens Stuttgart, Wilhelma