Der Test „Fragen zu Kraft und Bewegung“

µ berechnet. Dabei wird eine Effektstärke von d = 0,2

als schwach, d = 0,5 als mittel und d = 0,8 als stark bezeichnet (Bortz, Döring, 2002, S. 604). Ef-fektstärken werden – entgegen dem Vorgehen in dieser Arbeit – auch genutzt, um vor der Durch-führung eines Tests den optimale Stichprobenumfang festlegen zu können (Power-Analyse).

HÄUßLER ET AL. stellen fest: „Viele Autoren gehen davon aus, dass ein Faktor erst dann von päda-gogischen Interesse ist, wenn er den Lernerfolg zu mindestens 5 % erklärt [aufgeklärte Varianz].

Das entspräche […] einer Effektstärke von d = 0.46.“ (Häußler et al., 1998, S. 151). Hier ergibt sich bei der Subgruppe „geradeaus“ bei der Treatmentgruppe (NTreat = 35) gegenüber der Kontroll-gruppe (NKontroll = 217) eine Effektstärke von nur d = 0,26, die pädagogisch nicht interessant ist.

Aber bei der Subgruppe “Kurve“ ergibt sich eine extrem große Effektstärke von d = 2,95. D.h. die Treatmentgruppe hat bei der Subgruppe „Kurve“ über achtmal so viele richtige Antworten gegeben (77 % versus 9 %) und der Unterschied entspricht ca. drei gemittelte Standardabweichungen. Wün-schenswert wäre dennoch gewesen, dass dieser Test mit mehr Schülern der Treatmentgruppe durchgeführt worden wäre.

Interessant sind außerdem zwei gute Klassen, in denen der Lehrer in der herkömmlichen Themen-reihenfolge nicht nur die vektorielle Beschreibung der Bewegung sehr eingehend behandelt hat, sondern diese auch mit dynamisch ikonischen Repräsentationen visualisiert hat, wozu kurz das DOS-Programm „radial“ (siehe Kapitel 5.2), aber insbesondere Physlets sowie Animationen der CD

„cliXX Physik in bewegten Bildern“ (Treitz, 2000) eingesetzt wurden. Gerade auf der cliXX-CD werden auch Beschleunigungsvektoren gezeigt. Diese Klassen sind damit bei der Kurvenfahrt we-sentlich besser als sonstige traditionelle Klassen, aber nicht so gut wie die Klassen, die nach dem hier vorgestellten Konzept unterrichtet wurden (siehe Tab. 6.2). Die Unterschiede zu den Ergebnis-sen traditioneller KlasErgebnis-sen sind bei den Items zu gerader Strecke nicht signifikant (0,05-Niveau), aber bei den Items zu Kurvenfahrten signifikant (0,001-Niveau).

6.4.2 Graphen zur eindimensionalen Kinematik

Die Frage war, ob die Schüler, die nach diesem Konzept unterrichtet wurden, so viel Verständnis gewonnen haben, dass sie auch Testaufgaben zur eindimensionalen Kinematik mit Grapheninterpre-tation genauso oder besser als konventionell unterrichtete Klassen lösen können, denn für die ein-dimensionale Kinematik und Grapheninterpretation wurde in diesem Unterrichtskonzept weniger Unterrichtszeit als in den meisten konventionellen Klassen aufgewandt.

6.4.2.1 Der Test „Fragen zu Kraft und Bewegung“

Der Fragebogen „Fragen zu Kraft und Bewegung“ geht auf den Amerikaner RONALD THORNTON

von der Tufts University in Boston in Massachusetts (USA) zurück (Der Originalfragebogen findet sich in THORNTON (1996) und auf der CD im Anhang; kinematische Teile finden sich auch in THORNTON (1990), THORNTON (1992) und THORNTON,SOKOLOFF (1990)). Inhaltlich geht es um die

Kinematik und Dynamik eindimensionaler Bewegungen, wobei die Fragen aus physikalischer Sicht relativ einfach sind. Unterschiedliche Situationen können nun beim Schüler unterschiedliche Vor-stellungen aktivieren und Schüler können zwischen verschiedenen VorVor-stellungen hin- und hersprin-gen (siehe Kapitel 2.1.3 und 2.1.4). Deshalb werden Frahersprin-gen zu einer größeren Zahl physikalisch ähnlicher bzw. physikalisch sich entsprechender Situationen gestellt. Beim Thema „Kraft“ werden außerdem die Antwortmöglichkeiten auf verschiedene Weise dargestellt. Dadurch wird auch festge-stellt, bei welchen Situationen oder Antwortdarstellungen welche Vorstellungen aktiviert werden und wie konsistent bzw. wie sprunghaft die Beantwortung der Schüler ist.

Dieser Test ist ein „paper pencil-test“, mit geschlossener (gebundener) Aufgabenbeantwortung. Es handelt es sich bei jedem Aufgabenblock um die Kombination mehrerer Mehrfachwahlaufgaben (multiple choice-Aufgaben). Da in jedem Aufgabenblock jeder einzelnen Aufgabe eine Antwort aus den für diesen Block vorgegebenen Antwortmöglichkeiten zugeordnet werden soll, können die Aufgaben als Zuordnungsaufgaben bezeichnet werden (Fischler, 1970, S. 22).

Jeder Aufgabenblock ist dabei nach dem gleichen Prinzip aufgebaut: Zuerst wird jeweils eine Situa-tion beschrieben und meist durch eine Skizze veranschaulicht. Dann ist die Aufgabenstellung er-klärt und zum Teil durch Hinweise zum Bearbeiten ergänzt. Als nächstes sind je drei bis acht ver-schiedene Antwortmöglichkeiten aufgelistet. Erst danach sind unterschiedliche Bewegungen des in der Aufgabenstellung erwähnten Gegenstandes beschrieben, die in keiner Weise geordnet sind. Der Schüler muss nun zu jeder der beschriebenen Bewegungen die Antwortmöglichkeit heraussuchen, die je nach Aufgabe die Geschwindigkeit, Beschleunigung oder wirkende Kraft bei dieser Bewe-gung angibt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, alle vorgegebenen Antworten als falsch abzu-lehnen. Jedes Item hat nur eine (in der Regel, siehe unten) eindeutige Lösung. Negative Formulie-rungen sind nicht vorhanden und jedes Item ist unabhängig von allen anderen. Der Fragebogen ist durch die gewählte Testform ökonomisch, da sowohl die Durchführung als auch die Auswertung einfach und relativ zeitsparend ist.

Außerdem ist der Test in dem Sinn objektiv, dass die Testergebnisse von der Durchführung und Auswertung unabhängig sind (Rhöneck, 1971, S. 71). Die Durchführungsobjektivität ist dadurch gewährleistet, dass alle Informationen, die zur Durchführung benötigt werden, auf dem Fragebogen stehen und der Lehrer nichts mehr dazu erklären muss. Jeder Lehrer bekam noch eine Einweisung, in der unter anderem angegeben wurde, wie viel Zeit die Schüler zur Beantwortung typischerweise benötigen. Die Auswertungsobjektivität ist einerseits durch die geschlossene Aufgabenbeantwor-tung gewährleistet und anderseits dadurch, dass die Antworten in Form von Buchstaben nicht be-wertet, sondern nur gezählt werden müssen.

Der Fragebogen von THORNTON wurde von WILHELM möglichst genau übersetzt und in einem Vor-lauf in vier Klassen 89 Schülern kurz nach dem Dynamikunterricht getestet. 1994 wurde der Frage-bogen dann intensiv überarbeitet: die sprachliche Formulierung, damit nicht etwa die Lesefähigkeit des Schülers mitgetestet wird, und die Gestaltung des Fragebogens, um ihn möglichst übersichtlich und anschaulich zu gestalten (Wilhelm, 1994) (siehe CD im Anhang). Die Ausgangssituation sowie die Aufgabenstellung sollten ausführlich und klar beschrieben werden. Überall sollten kurze Sätze verwendet und Nebensätze, Fremdwörter und Fachwörter weitgehend vermieden werden. Bei der

Formulierung der Items wurde darauf geachtet, dass sie klar und verständlich formuliert sind, um sprachliche Schwierigkeiten zu vermeiden. Außerdem sollte jedes Item so kurz wie möglich sein und innerhalb eines Aufgabenblockes sollten die einzelnen Items weitgehend die gleiche kalische Struktur haben. Auch die Antwortmöglichkeiten sollten in Bezug auf Form und grammati-kalische Struktur vergleichbar sein (Fischler, 1970, S. 20).

Das Layout sollte möglichst übersichtlich und ansprechend sein. Vor allem sollte dadurch ein Auf-gabenblock, der doch viel Text enthält, deutlich gegliedert werden. Deshalb wurde der Aufgaben-stamm, der aus Situationsbeschreibung, Aufgabenstellung und Bearbeitungshinweisen besteht und sich am Anfang jedes Aufgabenblockes befindet, in einer anderen Schrift als die einzelnen Items geschrieben. Der lange Text des Aufgabenstammes wurde dadurch gegliedert, dass die Begriffe

„Situation“, „Aufgabe“ und „Hinweis“ einzelnen Aussagen vorangestellt wurden. Skizzen zur Ver-anschaulichung der Situation und die Antwortmöglichkeiten wurden stets in einen Kasten gesetzt, der damit auch den Aufgabenblock weiter strukturiert. Vor jedes Item wurde schließlich noch eine Hand mit ausgestrecktem Zeigefinger gesetzt, um den Schülern zu zeigen, dass sich an dieser Stelle nun die eigentliche Aufgabe befindet, bei der sie gefordert sind. Der auf diese Weise erhaltene Fra-gebogen wurde zwei Schülerinnen aus zwei verschiedenen elften Klassen Gymnasium vorgelegt, die zu lautem Denken aufgefordert wurden, was zu einer weiteren Überarbeitung führte. Eine weite-re Überprüfung der Verständlichkeit geschah, indem erfahweite-rene Lehweite-rer den Test überprüften und die Schüler einer Klasse bei einer Auswahl von Aufgaben jede Antwort schriftlich begründen sollten.

Insgesamt kann man nun annehmen, dass die Schüler mit der sprachlichen Formulierung kaum noch Probleme haben und weitgehend gewährleistet ist, dass sie die Aufgabenstellungen verstehen (Teile des End-Fragebogens zur Dynamik findet man in HEUER,WILHELM (1997)).

Als wichtiger Punkt erwies sich die Darstellung des Koordinatensystems. Im englischsprachigen Origi-naltestbogen waren in der Skizze ein Nullpunkt und eine „+ Abstands-Achse“ eingezeichnet. In den einzelnen Items wurde außerdem eine Bewegung nach rechts bzw. links mit dem in Klammern stehen-den Zusatz „weg vom Ursprung“ bzw. „zum Ursprung“ verdeutlicht. Mit dieser Darstellung und For-mulierung taten sich jedoch die interviewten Schülerinnen schwer. Außerdem sagten sie, dass sie die als Ursprung eingezeichnete Null mit einem Startpunkt assoziieren. Als ihnen als Alternative vorge-schlagen wurde, die horizontale Linie als „x-Achse eines Koordinatensystems“ zu bezeichnen, einen Pfeil in positive und negative Richtung in die Skizze einzuzeichnen und statt „weg vom Ursprung“

nun „in positive Richtung“ und statt „zum Ursprung“ nun „in negative Richtung“ zu schreiben, fan-den sie dies wesentlich verständlicher. Deshalb wurde in allen Aufgaben diese Möglichkeit gewählt.

Dabei wurde nach beiden Richtungen ein Pfeil gezeichnet, an dem sich deutlich sichtbar das Vorzei-chen befand. Die Null beim Ursprung wurde dagegen weggelassen. Außerdem sollte die Achse sehr lang und das Auto nicht zu groß sein. Auch bei der Gestaltung der Graphen wurde darauf geachtet, dass sie - so wie es die Schüler gewohnt sind - ein Koordinatensystem darstellen. Deshalb wurde an die Achsen in positive Richtungen ein deutlicher Pfeil gezeichnet, an dem die aufgetragenen Größen ste-hen. An die y-Achse wurden deutlich die Vorzeichen „+“ und „-“ angetragen. Ein Lehrer sprach sich gegen diese zweite Formulierung mit der x-Achse eines Koordinatensystems und für die Plus-Abstands-Achse aus, da seine Schüler aus seinem Unterricht diese Formulierung gewohnt seien; aber

gerade eine seiner Schülerinnen sprach sich im persönlichen Interview für die erste Formulierung aus, die sie verständlicher fand.

Der Test wurde 1994 schließlich von 139 Schülern aus neun Klassen der Fachoberschule beantwor-tet, worauf nicht näher eingegangen werden soll, und von 188 Schülern aus zehn Gymnasialklassen (fünf mathematisch-naturwissenschaftlich, fünf anderer Schulzweig, neun verschiedene Lehrer, neun Klassen aus Unterfranken, eine aus Oberfranken). Die Ergebnisse dieser konventionell unter-richteten Vergleichsklassen werden im Folgenden kurz dargestellt (siehe auch Wilhelm, 1994, und Heuer, Wilhelm, 1997). Möglicherweise ist diese Gruppe nicht repräsentativ, da ein Teil der Lehrer lange Jahre an einer regelmäßigen Fortbildungsveranstaltung (Seminarform) am Lehrstuhl für Di-daktik an der Universität Würzburg teilnahm und so als besonders engagiert gelten kann.

Die Konstruktion des Tests wurde anhand der 188 Antwortbögen der Gymnasiasten überprüft. Da-bei ging es um die Annahme, dass jede Aufgabengruppe etwas anderes abprüft, aber die verschie-denen Items einer Aufgabengruppe das Gleiche abprüfen. Es wurde eine Hauptkomponenten-Faktorenanalyse mit Varimaxrotation durchgeführt, wobei nur betrachtet wurde, ob ein Item richtig oder falsch beantwortet wurde. Das Item zur notwenigen Kraft bei einem stehenden Fahrzeug, wur-de von fast allen Schülern richtig beantwortet und korreliert kaum mit anwur-deren Items, so dass es nicht mit in die Analyse einbezogen wurde. Aus dem gleichen Grund wurden die Items zu Ge-schwindigkeitsgraphen nicht in die Faktorenanalyse einbezogen. Bei den Aufgaben zum Münzwurf wurde geschaut, ob die ganze Aufgabe richtig beantwortet wurde, nicht die Teilaufgaben. Für die Anzahl „bedeutender“ Faktoren gibt es verschiedene Kriterien. Werden nach dem KAISER -GUTTMANN-Kriterium (Bortz, 1993, S. 503) alle Faktoren berücksichtigt, deren Eigenwert über 1 liegt, erhält man fünf Faktoren. Der Scree-Test von CATELL (Bortz, 1993, S. 503 f.) liefert ebenfalls fünf (evtl. sechs) Faktoren. Auf dem ersten Faktor laden alle sieben Items zu Kraftgraphenaufgaben hoch und alle anderen Items schwach. Auf dem zweiten Faktor laden alle sieben Items zu Krafttext-aufgaben zum reibungsfreien Schlitten hoch und alle anderen Items schwach. Auf dem dritten Fak-tor laden alle Items zu Beschleunigungsgraphen außer der nach links langsamerwerdenden Bewe-gung hoch (drei Items) und alle anderen Items schwach. Auf dem fünften Faktor laden ausschließ-lich die beiden Aufgaben „Kraft beim Münzwurf“ und „Kraft bei der Rampe“ hoch. Der vierte Fak-tor lädt hoch bei der Beschleunigung beim Münzwurf (mit Richtungswechsel), bei der Beschleuni-gungsaufgabe zur langsamerwerdenden Bewegung nach links und bei der Schlitten-Kraftaufgabe zur langsamerwerdenden Bewegung nach links. Man sieht, dass die Faktoren im Wesentlichen den fünf Aufgabengruppen entsprechen. Außerdem wird schon deutlich, dass eine langsamerwerdende Bewegung gegen die positive Koordinatenachse eine besondere Aufgabe ist.

Die kinematischen Teile des Tests wurden bereits von TREFFER eingesetzt (Treffer, 1989; Treffer, 1990) (siehe CD im Anhang). Allerdings war der Fragebogen ungünstig formatiert und es wurde sogar völlig auf Skizzen verzichtet. Dennoch sollen an ausgewählten Stellen diese (z.T. bisher un-veröffentlichten Ergebnisse) zum Vergleich angegeben werden.

BLASCHKE (1999) hat diesen Test von THORNTON ebenfalls benutzt und dazu weiter verändert (sie-he CD im Anhang). Dabei hat er allerdings die hier dargestellten Aspekte zur Gestaltung nicht be-rücksichtigt und insbesondere auch wieder eine andere, nach den hier gewonnen Erkenntnissen

un-günstige Darstellung des Koordinatensystems gewählt: Es gibt einen Prellbock (= Ursprung) und eine positive Orts-Achse. Außerdem hat BLASCHKE bei den kinematischen Aufgabenblöcken einige weitere Items dazu genommen. Da bei drei dieser Items explizit mehrere Antworten möglich und gefordert sind, verließ er damit das Prinzip, dass die Schüler bei jedem Item genau eine Lösung angeben müssen. BLASCHKE hat diesen Test außer von seinen vier Versuchsklassen 1997 noch von 433 Schülern aus 21 elften Klassen (13 mathematisch-naturwissenschaftlich, sieben neusprachlicher Schulzweig) aus acht bayerischen Orten und einem außerbayerischen Ort bearbeiten zu lassen. Zu-sätzlich hat er die Lehrer nach ihrem Unterricht befragt und die Klassen entsprechend den Angaben zur Integration des Rechnereinsatzes in vier Kategorien eingeteilt. Da er von einem sehr starken Zusammenhang zwischen Unterricht und Testergebnis ausging, gab er alle Ergebnisse klassenweise bzw. für die vier Kategorien an. Insofern existieren keine Informationen über die Streuungen bei den Schülerergebnissen, nur vereinzelt Angaben über die Streuungen der Klassenergebnisse. Den-noch sollen auch diese Ergebnisse mit zum Vergleich herangezogen werden.

Schließlich wurde der Test 2001 bis 2003 im Rahmen dieser Arbeit in der Form von WILHELM

(1994) mit den Ergänzungen von BLASCHKE (1999) zu Beginn der elften Jahrgangsstufe gestellt (Test siehe CD im Anhang). Es nahmen 373 Schüler aus 18 Klassen (14 Lehrer) aus 13 Gymnasien teil, wobei zwei Klassen nicht aus Bayern waren und acht Klassen zum mathematisch-naturwissenschaftlichen Zweig gehörten.