Empirische Analyse von Modellkompetenz bei Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe I mit ...

306 Pages·2014·4.43 MB·German

by  Juliane Grünkorn

MODELLKOMPETENZ IM BIOLOGIEUNTERRICHT

Empirische Analyse von Modellkompetenz bei
Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe I mit
Aufgaben im offenen Antwortformat

Dissertation
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)

am Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie
der Freien Universität Berlin

vorgelegt von
JULIANE GRÜNKORN

Berlin, 2014
Diese Arbeit entstand in der Zeit zwischen September 2008 und Mai 2014 un-
ter der Leitung von Prof. Dr. Dirk Krüger in der Arbeitsgruppe für Didaktik der
Biologie des Instituts Biologie im Fachbereich Biologie, Chemie und Pharmazie
an der Freien Universität Berlin. Die Arbeit wurde selbstständig verfasst und
alle Hilfsmittel wurden entsprechend aufgeführt.

Erstgutachter: Prof. Dr. Dirk Krüger, Freie Universität Berlin
Zweitgutachterin: Prof. Dr. Annette Upmeier zu Belzen,
Humboldt-Universität zu Berlin

Tag der Disputation: 25. Juli 2014
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ...................................................................................... III
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ...................................................................................... IV
TABELLENVERZEICHNIS ............................................................................................ V
ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................................ 1
ABSTRACT ............................................................................................................. 5
1 EINLEITUNG ................................................................................................... 9
2 THEORETISCHER HINTERGRUND ........................................................................ 13
2.1 Modellierung von Kompetenzen .......................................................... 14
2.1.1 Kompetenz ..................................................................................... 15
2.1.2 Kompetenzmodelle .......................................................................... 17
2.1.3 Überprüfung von Kompetenzmodellen ................................................ 20
2.2 Perspektiven auf Modelle .................................................................... 22
2.2.1 Wissenschaftstheoretische Sichtweisen von Modellen ............................ 24
2.2.2 Empirische Perspektiven auf Modelle .................................................. 27
2.2.3 Strukturierungen der Vorstellungen von Modellen ................................ 34
2.3 Theoretische Struktur von Modellkompetenz ...................................... 40
2.3.1 Graduierung in Niveaus .................................................................... 42
2.3.2 Dimensionierung in Teilkompetenzen ................................................. 44
3 ZIELSETZUNGEN DER ARBEIT ........................................................................... 49
4 OPERATIONALISIERUNG DES KOMPETENZMODELLS DER MODELLKOMPETENZ ............... 53
4.1 Methode der Testkonstruktion ............................................................ 54
4.1.1 Theoretische Fundierung .................................................................. 54
4.1.2 Testkonzeption ............................................................................... 55
4.1.3 Aufgabenformat und -auswertung ...................................................... 58
4.1.4 Aufgabenentwicklung ....................................................................... 66
4.1.5 Aufgabenüberprüfung und -selektion .................................................. 70
4.2 Ergebnisse der Operationalisierung .................................................... 74
4.2.1 Beitrag 1: Design and test of open-ended tasks to evaluate a theoretical
structure of model competence ......................................................... 74
4.2.2 Beitrag 2: Entwicklung und Evaluierung von Aufgaben im offenen
Antwortformat zur empirischen Überprüfung eines Kompetenzmodells
der Modellkompetenz ....................................................................... 77
4.3 Zusammenfassende Diskussion ........................................................... 80
I
Inhaltsverzeichnis
4.4 Fazit .................................................................................................... 84
5 ANALYSE UND BESCHREIBUNG VON MODELLKOMPETENZ ......................................... 85
5.1 Untersuchungsdesign und Methodik ................................................... 86
5.1.1 Beschreibung des Datenmaterials ...................................................... 87
5.1.2 Aufbereitung und qualitative Inhaltsanalyse des Datenmaterials............. 89
5.1.3 Statistische Analysen ....................................................................... 91
5.2 Ergebnisse der Analyse von Modellkompetenz .................................. 100
5.2.1 Beitrag 3: Assessing students’ understandings of biological models and
their use in science to evaluate a theoretical framework ...................... 100
5.2.2 Beschreibung von Besonderheiten in den Antwortstrukturen der
Lernenden ..................................................................................... 104
5.2.3 Analyseergebnisse im Rahmen der IRT .............................................. 111
5.3 Zusammenfassende Diskussion ........................................................ 116
5.3.1 Inhaltliche Überprüfung der theoretischen Struktur (Beitrag 3) ............. 117
5.3.2 Besonderheiten in den Antwortstrukturen der Lernenden ..................... 120
5.3.3 Analysen im Rahmen der IRT ........................................................... 123
5.4 Fazit .................................................................................................. 128
6 DIDAKTISCHE ABLEITUNGEN UND ANREGUNGEN ................................................. 131
6.1 Eigene Beiträge zu didaktischen Anregungen ................................... 132
6.1.1 Beitrag 4: Erfassung von Modellkompetenz im Biologieunterricht .......... 133
6.1.2 Beitrag 5: Schwimmen wie Fische im Wasser – Untersuchung der
Schleimschicht von Fischen .............................................................. 134
6.1.3 Beitrag 6: Bau und Funktion der Fischhaut ......................................... 136
6.2 Zusammenfassende Implikationen für die Unterrichtspraxis ............ 137
7 IMPLIKATIONEN FÜR DIE ZUKÜNFTIGE FORSCHUNG ............................................. 145
LITERATURVERZEICHNIS ....................................................................................... 149
PUBLIKATIONEN DIESER ARBEIT ............................................................................. 171
Beitrag 1 ...................................................................................................... 172
Beitrag 2 ...................................................................................................... 186
Beitrag 3 ...................................................................................................... 206
Beitrag 4 ...................................................................................................... 241
Beitrag 5 ...................................................................................................... 249
Beitrag 6 ...................................................................................................... 256
DANKSAGUNG ..................................................................................................... 263
ANHANG............................................................................................................ 265
II
Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
A Teilkompetenz „Alternative Modelle“ des Kompetenzmodells
Ä Teilkompetenz „Ändern von Modellen“ des Kompetenzmodells
BIBD balanced incomplete block design
bik BMBF-Projekt „Biologie im Kontext“
E Bildungsstandards im Kompetenzbereich „Erkenntnisgewinnung“
EAP Expected-a-posteriori-Methode
EM Teilkompetenz „Eigenschaften von Modellen“ des Kompetenzmodells
FC-Items Forced-Choice-Items
IRT Item-Response-Theorie
Jgst. Jahrgangsstufe
KMK Ständige Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesre-
publik Deutschland
KTT Klassische Testtheorie
M Mittelwert
Max. Maximum
MC-Items Multiple-Choice-Items
Min. Minimum
MMX-Design Multi-Matrix-Design
N Anzahl der Gesamtmenge
n Anzahl der Teilmenge
PISA Programme for International Student Assessment
PV Plausible Value
SD Standardabweichung
SUMS Fragebogen „Students’ Understanding of Models in Science“
T Teilkompetenz „Testen von Modellen“ des Kompetenzmodells
TIMSS Trends in International Mathematics and Science Study
TS1 Teilstudie 1 zur Operationalisierung
TS2 Teilstudie 2 zur Operationalisierung
Var Varianz
VOMMS Fragebogen „My Views of Models and Modelling in Science“
wMNSQ weighted Mean-Square
Z Teilkompetenz „Zweck von Modellen“ des Kompetenzmodells
δ Item-Delta (Schwellenparameter)
κ Cohens Kappa
τ Thurstonian Threshold

III
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Gegenstand der theoretischen Modellierung von Modellkompetenz
(Grafik nach Meyer, 2012) ..................................................................... 13
Abb. 2: Beziehung zwischen Kompetenz und Performanz (nach Meyer, 2012) ........... 16
Abb. 3: Wissenschaftstheoretische Perspektiven auf Modelle (verändert nach
Terzer, 2013) ....................................................................................... 26
Abb. 4: Das Forschungsdesign und die drei Ziele des Dissertationsprojekts
(Grafik nach Meyer, 2012) ..................................................................... 50
Abb. 5: Erstes Ziel der Forschungsarbeit: Operationalisierung des
Kompetenzmodells der Modellkompetenz (Grafik nach Meyer, 2012) ............ 53
Abb. 6: Auswertungsschritte der Teilstudien 1 und 2 zur Operationalisierung
(vgl. Gläser-Zikuda, 2005; Gropengießer, 2005; Mayring, 2010) .................. 60
Abb. 7: Überblick über die Qualitätssicherungsschleifen (grau hinterlegt sind
Schritte der Aufgabenüberprüfung und –selektion)..................................... 71
Abb. 8: Zweites Ziel der Forschungsarbeit: Analyse und Beschreibung von
Modellkompetenz (Grafik nach Meyer, 2012) ............................................. 85
Abb. 9: Methodische Vorgehensweise bei der Analyse von Modellkompetenz
(vgl. Gläser-Zikuda, 2005; Gropengießer, 2005; Mayring, 2010) .................. 87
Abb. 10: Characteristic Curves by Score mit geordneten Schwellen (δ = 0.01;
1
δ = 0.35; δ = 0.89) am Beispiel der Aufgabe A1 ............................................ 114
2 3
Abb. 11: Ausschnitt der Characteristic Curves by Score mit ungeordneten
Schwellen (δ = –0.32; δ = – 1.57)10 am Beispiel der Aufgabe Ä3 ....................... 114
1 2
Abb. 12: Wright Map der eindimensionalen Skalierung mit den
Personenfähigkeiten (links) und den Thurstonian Thresholds (rechts) .......... 116
Abb. 13: Drittes Ziel der Forschungsarbeit: Didaktische Ableitungen und
Anregungen aus den Analysen (Grafik nach Meyer, 2012) .......................... 131
Abb. 14: Strukturmodell zum möglichen Zusammenhang der didaktisch
orientierten Perspektiven mit den Teilkompetenzen ................................... 146
Abb. 15: Strukturmodelle zum möglichen Zusammenhang des Parallelisierens
mit den Teilkompetenzen Testen von Modellen und Ändern von
Modellen (links) bzw. allen Teilkompetenzen (rechts) ................................ 147

IV
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Niveaus und Teilkompetenzen des theoriegeleiteten Kompetenzmodells
der Modellkompetenz (verändert nach Upmeier zu Belzen & Krüger,
2010) .................................................................................................. 41
Tab. 2: Strukturierung der aus der Literatur genannten Aspekte von Modellen
zu Teilkompetenzen (verändert nach Krell, Upmeier zu Belzen &
Krüger, 2014a sowie Upmeier zu Belzen & Krüger, 2010) ............................ 46
Tab. 3: Anleitung zur Aufgabenkonstruktion für die Teilkompetenz
Eigenschaften von Modellen .................................................................... 67
Tab. 4: Angaben zur Stichprobe der Studie zur Analyse von Modellkompetenz
(vgl. Grünkorn, Upmeier zu Belzen & Krüger, 2014) ................................... 88
Tab. 5: Multi-Matrix-Design – (15, 3, 1)-BIBD (Colbourn & Dinitz, 1996) zur
Analyse von Modellkompetenz (vgl. Terzer, 2013) ..................................... 89
Tab. 6: Kennwerte zur Beurteilung des Leistungstests in einem
probabilistischen Ansatz (Bühner, 2010; Hartig, 2009; Kelava &
Moosbrugger, 2012) .............................................................................. 96
Tab. 7: Kategorien und ihre Häufigkeiten (%)a innerhalb der Niveaus sowie
Gesamt-Häufigkeiten (%)b pro Niveau der Teilkompetenz (verändert
nach Grünkorn, Upmeier zu Belzen & Krüger, 2014) ................................. 102
Tab. 8: Zusätzliche Kategorien und ihre Häufigkeiten (%)* zu den
Teilkompetenzen (verändert nach Grünkorn, Upmeier zu Belzen &
Krüger, 2014) ..................................................................................... 103
Tab. 9: Beschreibung der didaktisch orientierten Perspektiven mit
Beispielaussagen und Häufigkeiten (%)* bezogen auf alle
Teilkompetenzen ................................................................................. 106
Tab. 10: Die Häufigkeiten (%)* der didaktisch orientierten Kategorien in den
fünf Teilkompetenzen des Kompetenzmodells .......................................... 106
Tab. 11: Kennwerte der eindimensionalen Raschskalierung auf Aufgabenebene ........ 112
Tab. 12: Kennwerte der eindimensionalen Raschskalierung auf Ebene der
Antwortkategorien (0, 1, 2 und 3) ......................................................... 113
Tab. 13: Mittelwerte der Personenfähigkeiten auf Ebene der Antwortkategorien
(0, 1, 2 und 3) .................................................................................... 115
Tab. 14: Aufgaben mit negativen punktbiserialen Korrelationen für die höchste
Kategorie, mit ungeordneten Schwellenparametern und mit
abnehmenden Mittelwerten der Personenfähigkeiten ................................ 124

V

Zusammenfassung
Zusammenfassung
Die Kompetenz, Modelle als Mittel der Veranschaulichung und als Mittel der
Erkenntnisgewinnung wahrzunehmen und einzusetzen, ist ein zentraler Be-
standteil eines elaborierten Wissenschaftsverständnisses und der naturwissen-
schaftlichen Grundbildung (scientific literacy). Empirische Studien über Modelle
und über den Modellbildungsprozess zeigen, dass Schülerinnen und Schüler
Modelle vorwiegend als Mittel der Veranschaulichung verstehen und somit eine
mediale Sichtweise auf Modelle einnehmen. Das Potenzial von Modellen, als
Mediatoren zu fungieren, die zwischen Theorie und Phänomen vermitteln, da-
mit sich neue Erkenntnisse über Phänomene gewinnen lassen (methodische
Sichtweise), wird bislang nicht umfassend wahrgenommen.
Bei der Entwicklung einer medialen und methodischen Sichtweise auf Modelle
helfen Kompetenzmodelle, die das entsprechende Konstrukt strukturieren und
graduieren. Diese Kompetenzmodelle dienen Lehrkräften als Referenzrahmen
für die Entwicklung von Fördermaßnahmen. Upmeier zu Belzen und Krüger
(2010) entwickelten ein theoretisch begründetes Kompetenzmodell der Modell-
kompetenz, das die empirischen Befunde und die wissenschaftstheoretische
Literatur zu Modellen integriert. Es ist in fünf Teilkompetenzen – Eigenschaften
von Modellen, Alternative Modelle, Zweck von Modellen, Testen von Modellen
und Ändern von Modellen – strukturiert und graduiert diese Teilkompetenzen
in jeweils drei Niveaus.
Eine empirische Überprüfung dieser Strukturierung und Graduierung steht je-
doch aus. Auf der Basis einer solchen Überprüfung lässt sich beurteilen, inwie-
fern das Kompetenzmodell die Perspektiven von Lernenden angemessen re-
flektiert. Ergänzend dazu ermöglicht es Lehrkräften eine evidenzbasierte Ent-
wicklung von Fördermaßnahmen. Dementsprechend stehen in der vorliegen-
den Arbeit die Operationalisierung des Kompetenzmodells der Modellkompe-
tenz mit Aufgaben im offenen Antwortformat und, darauf aufbauend, die Ana-
lyse und Beschreibung der Modellkompetenz von Schülerinnen und Schülern
der Sekundarstufe I im Mittelpunkt. Auf dieser Grundlage wurden didaktische
Anregungen für einen (modell-)kompetenzorientierten Unterricht aus den em-
pirischen Analysen abgeleitet.
Das Ziel, die Modellkompetenz der Lernenden zu analysieren und zu beschrei-
ben, kann mit Aufgaben im offenen Antwortformat erreicht werden, deren
1
Zusammenfassung
Antworten valide als Indikatoren von Modellkompetenz interpretiert werden
können. Deshalb erfolgte eine systematische und theoriegeleitete Operationali-
sierung, welche die Kriterien der Verständlichkeit und der Plausibilität des Auf-
gabenstamms, des Bezugs zur jeweiligen Teilkompetenz und der Repräsentati-
on des Spektrums der jeweiligen Teilkompetenz berücksichtigte.
Für die fünf Teilkompetenzen wurden insgesamt 40 Aufgaben entwickelt. Diese
wurden zunächst mit sieben Expertinnen und Experten der Didaktik der Biolo-
gie nach den genannten Kriterien diskutiert und in zwei Teilstudien mit zu-
sammen N = 1 231 Schülerinnen und Schülern erprobt. Die Antworten und
Kommentare der Lernenden wurden mit der qualitativen Inhaltsanalyse aus-
gewertet.
Darüber hinaus dienten beide Teilstudien dazu, Kodierleitfäden für die einzel-
nen Teilkompetenzen zu entwickeln, die neben Hinweisen zur Kodierung auch
ein Kategoriensystem pro Teilkompetenz umfassen. Diese Kategorien fassen
ähnliche Perspektiven der Lernenden auf Modelle und auf den Modellbildungs-
prozess zusammen.
Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass insgesamt fünfzehn Aufga-
ben im offenen Antwortformat (drei Aufgaben pro Teilkompetenz) die oben
genannten Kriterien erfüllen und daher als Indikatoren von Modellkompetenz
interpretierbar sind. Diese Aufgaben nehmen die kognitive Komponente von
Modellkompetenz in den Blick und eignen sich dazu, verschiedene Perspektiven
von Schülerinnen und Schülern auf Modelle und auf den Modellbildungsprozess
zu erfassen. Somit können diese Aufgaben zur Überprüfung der inhaltlichen
Struktur des Kompetenzmodells herangezogen werden.
Für die Analyse und Beschreibung von Modellkompetenz wurde eine Quer-
schnittsstudie mit N = 1 177 Schülerinnen und Schülern der siebten bis zehn-
ten Jahrgangsstufe durchgeführt. Die so gewonnenen Daten wurden ebenfalls
mit der qualitativen Inhaltsanalyse ausgewertet, die Aufschluss über die Per-
spektiven der Lernenden auf Modelle und auf den Modellbildungsprozess gibt.
Darauf aufbauend wurde geprüft, inwieweit das Kompetenzmodell der Modell-
kompetenz diese Perspektiven hinreichend beschreibt. Die Ergebnisse zeigten,
dass für die Teilkompetenzen Alternative Modelle (nur ein Modell eines Origi-
nals), Testen von Modellen (Keine Testung des Modells) und Ändern von Mo-
dellen (Keine Änderung des Modells) empfohlen wird, ein zusätzliches basales
Niveau zu berücksichtigen. Mit den Teilkompetenzen Eigenschaften von Model-
2