Dimension Repräsentationstyp

Innerhalb der Sichtstruktur von Aufgaben kann u.a. das Aufgabenmerkmal Darstellungsform berücksichtigt werden, das die Darstellung von Informationen in unterschiedlichen

Reprä-sentationen beschreibt (Leisen, 2005). Prenzel et al. (2002) berichten, dass die Darstellungs-form eine Auswirkung auf die Schwierigkeit von Testaufgaben haben kann. Aus diesem Grund wird die Dimension Repräsentationstyp in das Kompetenzstrukturmodell aufgenom-men, um zwei unterschiedliche Formen externer Repräsentationen zu fokussieren. Das Mo-dell konzentriert sich dabei auf die Darstellungsformen Diagramm und Schemazeichnung, worunter Zeichnungen unterschiedlicher Abstraktion und Realitätsnähe berücksichtigt wer-den (s. Kapitel 1.4.2). Im Hinblick auf Diagramme liefert das Modell einen Zugewinn, indem nicht nur ein spezifischer Fachinhalt untersucht wird, sondern Diagramme in unterschiedli-chen Aufgabenkontexte innerhalb der Domäne Biologie fokussiert werden. Aufgrund der the-oretisch fundierten Annahme unterschiedlicher Formen von Schemazeichnungen kann ein Beitrag zur Klassifikation und genaueren Abgrenzung realistischer und logischer Bilder er-reicht werden. Die Befunde sind stark heterogen, so können Schemazeichnungen den logi-schen Bildern zugeordnet werden, wenn die Konventionen für das Verstehen und Lösen be-kannt sein müssen (vgl. Griffard, 2013; Ainsworth, 2003; Kosslyn, 1989). Sind diese nicht darin einordbar, können in Schemazeichnungen realistische bis hin zu ikonisch, domänen-spezifisch auf Konventionen festgelegt Elemente vorkommen (vgl. Weidenmann, 2002). Der-artige Schemazeichnungen werden schließlich als semirealistische Darstellungen bezeich-net, die eine ansteigende Abstraktion aufweisen (Griffard, 2013; Tsui & Treagust, 2013). In diesem Zusammenhang leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zur weiterführenden For-schung und Charakterisierung von Schemazeichnungen, indem Merkmale unterschieden und anschließend klassifiziert werden können. Fokussiert werden dabei Schemazeichnun-gen, die zeiSchemazeichnun-gen, wie etwas funktioniert oder organisiert ist (vgl. Griffard, 2013). Gleichzeitig kann anhand der unterschiedlichen Aufgabenkontexte Aufklärungsarbeit geleistet werden, indem konventionalisiertes, domänenspezifisches Vorwissen in den unterschiedlichen biolo-gischen Schemata untersucht wird.

3.4 Z

Das Bildungswesen steht vor der ständigen Herausforderung aus Weiterentwicklung und Op-timierung von Bildungsprozessen (Hartig & Jude, 2007). Die Outcome-Orientierung führte zur Einführung nationaler Bildungsstandards und zur Entwicklung von Kompetenzmodellen (Bernholt et al., 2009). Aus Sicht der Fachdidaktiken bieten Standards eine Orientierungs-funktion, indem sie „erreichbare Teilziele als Bestandteile übergeordneter, normativ und em-pirisch begründeter Zieldimensionen ausweisen“ (Schecker & Parchmann, 2005, S. 48).

Kompetenzen enthalten die Merkmale Erlernbarkeit, Kontextspezifität und Anforderungen in den fachbezogenen Leistungsbereichen (Hartig & Klieme, 2006). Die in den nationalen Bil-dungsstandards verankerten kommunikativen Kompetenzen, das Anwenden von idealtypi-schen Darstellungsformen auf komplexe Sachverhalte, verlangt neben dem Erschließen von biologischen Informationen auch das selbstständige Konstruieren und Integrieren. Neben einzelnen Repräsentationen sind in diesem Zusammenhang auch MER von entscheidender Bedeutung, im Hinblick auf Integrationsprozesse bisher aber wenig untersucht.

Das vorliegende postulierte Kompetenzstrukturmodell zum Umgang mit MER berücksichtigt dabei biologiespezifische Repräsentationen als auch die Integration in unterschiedlichen Auf-gabenkontexten und bei verschiedenen Bildtypen. Entsprechend kann das Modell zu einer erhöhten Kohärenz zwischen Curriculum, fachspezifischen Herausforderungen sowie kogni-tionspsychologischen Modellen und konkreter Aufgabensammlung führen (vgl. Klieme &

Leutner, 2006). Damit verbunden hat das Kompetenzmodell die Chance einen Beitrag zur Qualitätssicherung und Qualitätsentwicklung in Bildungssystemen zu leisten (Bernholt et al., 2009). Aus diesem Grund stellt die theoriegeleitete Entwicklung des vorgestellten Kompe-tenzstrukturmodells eine weiterführende Entwicklungsarbeit in der biologiedidaktischen For-schung dar.

III Z IELE , F ORSCHUNGSFRAGEN UND H YPOTHESEN

Unterschiedliche Forschungsarbeiten fokussieren verschiedene Facetten beim Umgang mit multiplen externen Repräsentationen (MER). Weder theoretische Arbeiten noch empirische Studien zeigen ein einheitliches Bild im Hinblick auf Repräsentationskompetenz für den Bio-logieunterricht. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und empirische Überprüfung eines bio-logiedidaktischen Kompetenzstrukturmodells zum Umgang mit MER. Im Fokus steht dabei die Entwicklung und Modellierung eines Kompetenzmodells, das unterschiedliche Integrati-onsprozesse bei MER sowie unterschiedliche Aufgabenkontexte und Repräsentationstypen berücksichtigt.

Darauf basierende, ergeben sich für die vorliegende Arbeit vier zentrale Teilziele.

I. Überprüfung des postulierten Kompetenzmodells auf seine Gültigkeit durch Anwen-dung von qualitativen und quantitativen Testverfahren.

II. Diagnose von Kompetenzen bei der Integration von multiplen externen Repräsentati-onen (MER), die eine Informationsentnahmenahe Integration (MERI), Konstruktions-nahe Integration (MERII) und Translation oder Transformation aus mehreren Reprä-sentation (MERIII) erfordern.

III. Ermittlung der Aufgabenschwierigkeit, die durch Merkmale aus den Dimensionen im Modell (Integration von MER, Aufgabenkontext und Repräsentationstyp) bestimmt werden und zur Identifikation schwierigkeitserzeugender Aufgabenmerkmale heran-gezogen werden kann.

IV. Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Personenmerkmalen und Repräsentati-onskompetenz.

Daraus leiten sich folgende Forschungsfragen und Hypothesen ab.

Inwiefern bildet sich die theoretisch abgeleitete Struktur des Kompetenzmodells in den empirischen Daten ab?

Auf Basis von kognitionspsychologischen Grundlagen und empirischen Befunden werden die Kompetenzen zum Umgang mit multiplen externen Repräsentationen in drei Teilkompo-nenten differenziert (s. Kapitel 3.3.1).

Dabei geht es um Text-Bild-Kombinationen, die komplementäre Informationen enthalten (z.B. Saß, 2012, Cook, 2006) und eine explizite Integrationsleistung als Prozess für ein ver-tieftes Verständnis erfordern (Cook, 2006). Aus diesem Grund wird neben der Interpretation als Informationsentnahmenahe Integration (MERI), der Konstruktion als Konstruktionsnahe Integration (MERII) auch die Teilkomponente Translation von mehr als zwei Repräsentationen und Transformation mit einer weiteren bildlichen Repräsentation als Output (MERIII) unter-schieden.

Bevor geprüft werden kann, ob der Kompetenztest repräsentationsspezifisches Wissen beim Umgang mit MER misst, wird in einem ersten Schritt die Modellgültigkeit hinterfragt. Die in-terne Konsistenz gilt als Maß für die Homogenität einer Skala, d.h. alle zugrundeliegenden Testitems sollten ein gemeinsames latentes Konstrukt messen (Wellnitz, 2012). Durch die Prüfung der Reliabilitäten der geschätzten Skalen kann der Anteil der Varianz beschrieben werden, der tatsächlich auf Personenunterschiede zurückzuführen ist (Rost, 2004). Im An-schluss daran geht es um die empirische Überprüfung der postulierten Modellstruktur mit den ermittelten Daten. Die Überprüfung erfolgt über den Vergleich der Modellpassung an-hand verschiedener Maße (s Kapitel 8.2). Dabei wird der Frage nachgegangen, wie viele un-terschiedliche Kompetenzkonstrukte sich bei der Integration von MER identifizieren lassen oder ob die Fähigkeiten der Studierenden zum Umgang mit MER in einem eindimensionalen Modell durch eine übergeordnete Repräsentationskompetenz abgebildet werden. Auch bei empirischer Abgrenzbarkeit mehrerer Teilkompetenzen innerhalb einer Dimension sind Kor-relationen zwischen diesen Teilkomponenten zu erwarten, da sie Teil eines übergeordneten Konstrukts sind. Untersuchungen zu Modellkompetenz, Erkenntnisgewinnung, Diagramm-kompetenz und Biologische Informationen aus unterschiedlichen Repräsentationen schlie-ßen, bestätigen meist mittlere bis hohe Korrelationen zwischen den differenzierten Teilkom-ponenten (vgl. Terzer, 2012; Wellnitz, 2012, Lachmayer, 2008; Ziepprecht, 2016). Vor diesem Hintergrund sind derartige Korrelationen auch bei Vorliegen der postulierten mehrdimensio-nalen Struktur nicht auszuschließen.

Entsprechend werden folgende Hypothesen aufgestellt:

H1.0: Die Dimension Integration von MER lässt sich durch eine Dimension abbilden. Mehr-dimensionale Modelle führen zu keiner besseren Passung als das einMehr-dimensionale Modell (p < 0,05).

H1.1: Die Dimension Integration von MER lässt sich durch die drei Teilkomponenten Infor-mationsentnahmenahe Integration (MERI), Konstruktionsnahe Integration (MERII) und Translation und Transformation (MERIII) beschreiben, d.h. empirisch erfolgt die beste Passung bei einem dreidimensionalen Modell.

Der Umgang mit MER und die damit verbundene Übersetzungsleistung ist in den biologie-spezifischen Teilgebieten mit unterschiedlichen Abstraktionsgraden von Bildern und ver-schiedenen zugrundeliegenden Konventionen verbunden (Roth & Pozzer-Ardenghi, 2013;

Griffard, 2013; s. Kapitel 1.4.2). Ein Aspekt, der dabei bisher nicht erfasst wurde, ist der Ein-fluss des biologiespezifischen Kontexts auf die Repräsentationsleistung sowie mögliche Un-terschiede zwischen verschiedenen Darstellungsformen. In diesem Zusammenhang stehen die Konstrukte Aufgabenkontext und Repräsentationstyp (s. Kapitel 3.3.2 und 3.3.3). Für eine curricular möglichst breite Verankerung biologiespezifischer Kontexte werden die Teilgebiete Ökologie, Stoffwechsel und Genetik ausgewählt (s. Kapitel 1.5). Als Darstellungsformen wer-den einerseits Diagramme berücksichtigt, da sie an bisherige Studien anknüpfen (z.B. Lach-mayer, 2008; von Kotzebue, 2014) und andererseits Schemazeichnungen, um neue Erkennt-nisse in Zusammenhang mit Repräsentationskompetenz zu gewinnen. Vor diesem Hinter-grund werden die Konstrukte Aufgabenkontext und Repräsentationstyp als weitere latente Variablen definiert und folgende Hypothesen formuliert:

H1.2: Die Dimension Aufgabenkontext lässt sich durch die drei Teilkomponenten Ökologie, Stoffwechsel und Genetik beschreiben, d.h. empirisch liegt ein dreidimensionales latentes Konstrukt vor.

H1.3: Die Dimension Repräsentationstyp lässt sich durch die zwei Teilkomponenten Dia-gramm und Schemazeichnung beschreiben, d.h. empirisch liegt ein zweidimensio-nales latentes Konstrukt vor.

Welche schwierigkeitsgenerierenden Merkmale können in den Aufgaben zum Umgang mit multiplen externen Repräsentationen identifiziert werden?

Auf Basis einer inhaltsstrukturbezogenen Aufgabenanalyse zum Umgang mit MER im biolo-gischen Kontext, erfolgt die Ermittlung der schwierigkeitsgenerierenden Merkmale unter dem Inhaltsaspekt (vgl. Kauertz, 2008). Bisher weiß man wenig darüber, welche Faktoren die Übersetzungsleistung bei Text-Bild-Kombinationen beeinflussen. In diesem Zusammenhang geht es um unterschiedliche kognitive Prozesse zur Integration von MER vor dem Hinter-grund biologiespezifischer Inhalte und der Verwendung unterschiedlicher Repräsentations-typen, die domänenspezifisches Wissen über Konventionen erfordern. Vergleichbar zur Mo-dellgeltung wird angenommen, dass die unterschiedlichen Konstrukte auch die Aufgaben-schwierigkeit beeinflussen. Entsprechend werden folgende Hypothesen formuliert:

H2.1: Die Schwierigkeit der Testitems beruht auf der Dimension Integration von MER mit den Teilkomponenten MERI, MERII, MERIII.

H2.2: Die Dimension Aufgabenkontext mit den Teilkomponenten Ökologie, Stoffwechsel und Genetik hat einen Einfluss auf die Itemschwierigkeit.

H2.3: Die Dimension Repräsentationstyp mit den Teilkomponenten Ökologie, Stoffwechsel und Genetik hat einen Einfluss auf die Itemschwierigkeit.

Welche Zusammenhänge bestehen zwischen Personenfähigkeiten und Kompetenz und welche Kompetenzausprägungen können damit diagnostiziert werden?

Die Ausprägung der Kompetenzen von Lernenden zum Umgang mit MER wird, abhängig vom bestätigten Modell, für eine oder mehrere Dimensionen vorgenommen. Studien zeigen, dass Text-Bild-Kombinationen zu besseren Behaltens- und Verstehensleistungen bei Ler-nenden führen können (z.B. Hegarty & Just, 1993; s. Kapitel 1.4.3 und Kapitel 2.4). Daneben wird ebenfalls berichtet, dass es beim Lernen mit MER zu Schwierigkeiten und Problemen kommen kann (z.B. Ainsworth, 2006; Kozma, 2003; Kozma & Russell, 1997; s. Kapitel 1.4.3).

Entscheidend dabei sind das Vorliegen unterschiedlich abstrakter Darstellungsformen und die anschließend geforderte Übersetzungsleistung. Vor diesem Hintergrund gelingt es Ler-nenden mit hohem Vorwissen besser, die relevanten Oberflächenkriterien zu erschließen als Novizen (z.B. Cook, Wiebe, & Carter, 2008; Kozma & Russell, 1997). Im Rahmen der Dia-grammkompetenz und zum thematischen Kontext der Fotosynthese scheint die Konstruktion insgesamt leichter für Lernende zu sein als die Informationsentnahme (vgl. Lachmayer, 2008;

von Kotzebue, 2014). Dies wird als Hinweis darauf gewertet, dass die Integration von MER je nach Teilkomponente unterschiedlich schwierig sein kann. Allerdings zeigen verschiedene Studien auch, dass repräsentationsspezifisches Wissen stark von der Art der Bilder und ihrer zugrundeliegenden Konvention (z.B. Brandstetter-Korinth, 2017; Ziepprecht, 2016) oder dem Aufgabenkontext abhängen kann (z.B. Werner, Schwanewedel, & Mayer, 2014). Dieser Zu-sammenhang ist vor dem Hintergrund des integrativen Verhältnisses zwischen Text und Bild in der Biologiedidaktik bisher wenig untersucht, entsprechend werden die folgenden Hypo-thesen aufgestellt:

H3.1: Unter Voraussetzung, dass ein mehrdimensionales Modell empirisch bestätigt wer-den kann, weisen die Leistungen der Studierenwer-den bei der Integration von MER in den Teilkomponenten MERI, MERII, MERIII Unterschiede auf.

H3.2: Unter Voraussetzung, dass ein mehrdimensionales Modell empirisch bestätigt wer-den kann, weisen die Leistungen der Studierenwer-den bei der Dimension Aufgabenkon-text in den Teilkomponenten Ökologie, Stoffwechsel und Genetik Unterschiede auf.

H3.3: Unter Voraussetzung, dass ein mehrdimensionales Modell empirisch bestätigt wer-den kann, weisen die Leistungen der Studierenwer-den bei der Dimension Repräsentati-onstyp in den Teilkomponenten Diagramm und Schemazeichnung Unterschiede auf.

Welche Zusammenhänge bestehen zwischen Personenmerkmalen und Kompetenz?

Für das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Konstrukt, das repräsentationsspezifisches Wissen in unterschiedlichen Inhalten der Biologie untersucht, kann ein gewisser Zusammen-hang zwischen Studiengang, den Schulnoten in Biologie und Mathematik und der Kompe-tenz angenommen werden. Hierzu liegen im hochschuldidaktischen Bereich keine einschlä-gigen Studien vor. Verschiedene biologiedidaktische Untersuchungen mit Schülerinnen und Schülern als Stichprobe, berichten von meist geringen Korrelationen oder überhaupt keinem signifikanten Zusammenhang (z.B. Wellnitz, 2012; Grube, 2011; Eggert & Bögeholz, 2010;

Schmiemann, 2010). Aus diesem Grund werden Zusammenhänge zwischen den vorliegen-den Personenmerkmalen explorativ untersucht. Zusätzlich gilt es das Geschlecht zu kontrol-lieren, damit in Bezug auf das Repräsentationswissen angehender Studierender keine ge-schlechtsabhängigen Unterschiede diagnostiziert werden. Vor diesem Hintergrund werden folgende Hypothesen formuliert:

H4.1: Es bestehen Kompetenzunterschiede zwischen Personen verschiedener Studien-gänge.

H4.2: Die Kompetenzen der Studierenden korrelieren mit der Biologienote.

H4.3: Die Kompetenzen der Studierenden korrelieren mit der Mathematiknote.

H4.4: Es bestehen keine Kompetenzunterschiede zwischen weiblichen und männlichen Studierenden.

IV E MPIRISCHER T EIL

4 M ATERIAL DER V ORSTUDIE

Zur empirischen Überprüfung des Kompetenzstrukturmodells (s. ABBILDUNG 7) wurden zwei Studien durchgeführt, die Pilotierung und die Hauptstudie der Arbeit. Das zentrale Ziel der Vorstudie ist die Erstellung eines Kategoriensystems zur Kodierung offener Testaufgaben so-wie die Überprüfung der modellkonform konstruierten Testitems auf ihre Verträglichkeit mit dem angewendeten Testmodell. Zusätzlich wird eine erste Rasch-Analyse durchgeführt und untersucht, ob sich die angenommenen Dimensionen des Kompetenzstrukturmodells In-tegration multipler externer Repräsentationen (MER) in weitere Subdimensionen ausdifferen-zieren lassen.