Physikalische Kompetenz

Die Entwicklung physikalischer Kompetenz (Fischer / Neumann; 2007-2013)

Kurzbeschreibung

Laufzeit seit 2007

 

Kompetenzmodelle sollen unter Anderem beschreiben, wie sich Kompetenzen entwickeln (Klieme et al., 2003), um darauf aufbauend Unterrichtshandlungen und -angebote entwickeln aber auch Standards für einzelne Bildungsabschnitte gezielt adjustieren zu können. Ziel des Projektes ist die Konstruktion und empirische Prüfung eines Modells für die Entwicklung physikalischer Kompetenz in der Sekundarstufe I. Ausgangspunkt dafür ist ein Kompetenzstrukturmodell, das zur Zeit in einem Projekt der Forschergruppe “Naturwissenschaftlicher Unterricht“ (FOR-511) entwickelt wird (Neumann et al., zur Veröffentlichung angenommen). Das Modell berücksichtigt die Bildungsstandards für das Fach Physik (KMK, 2005), spezifische kognitive Aktivitäten der Probanden und die Komplexität des Inhaltsbereichs. In Anlehnung an Arbeiten von Liu & McKeough (2005) und Liu (2006) wird es um die Dimension der Entwicklung physikalischer Konzepte erweitert. Die empirische Prüfung des Modells ist als Längsschnitt über die drei Phasen des Schwerpunktprogramms angelegt. In der ersten Projektphase wird das Modell durch einen entsprechenden Kompetenzentwicklungstest für die 7., in den folgenden Projektphasen für die 8. bzw. 9. und 10. Jahrgangstufe operationalisiert. Der Einfluss der individuellen kognitiven Entwicklung auf die Entwicklung spezifischer physikalischer Konzepte und die Bedeutung der Lesekompetenz für die Bearbeitung der Aufgaben werden kontrolliert.


Forschungsstand 2009

 Kompetenzmodelle spielen eine wichtige Rolle bei der Optimierung von Unterricht und der Adjustierung von Bildungsstandards. So lassen sich Kompetenzstrukturmo-delle zur Einschätzung der Kompetenzen von Schülerinnen und Schülern im Bezug auf die in den Nationalen Bildungsstandards für den mittleren Schulabschluss in Physik (KMK, 2005) formulierten Zielsetzungen einsetzen. Um zusätzlich Kompetenz in der Schule systematisch entwickeln zu können, ist es wichtig, die Änderung der Kompetenzstrukturen in Folge des Unterrichts zu beschreiben. Die Beschreibung eines Kompetenzentwicklungsmodells setzt daher ein Kompetenzstrukturmodell vor-aus (Schecker & Parchmann, 2006). Bisher vorliegende Strukturmodelle physikali-scher Kompetenz sehen aber entweder keine Stufung vor, die sich zur systemati-schen Beschreibung der Entwicklung physikalischer Kompetenz nutzen ließe oder konnten hinsichtlich der Stufung nicht empirisch bestätigt werden.

Ziel des Projekts ist daher die Konstruktion und empirische Prüfung eines Kompe-tenzmodells, das geeignet ist, die Entwicklung physikalischer Kompetenz in der Se-kundarstufe I im Bereich Fachwissen abzubilden.

Ausgangspunkt der Arbeit ist das Kompetenzmodell von Kauertz (2008), in dem be-zogen auf die in den Bildungsstandards in Physik benannten Basiskonzepte ver-schiedene Komplexitätsniveaus unterschieden werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Schwierigkeit von Testaufgaben durch die inhaltliche Komplexität der erwar-teten Lösung bestimmt  wird. Die Komplexität kann somit zur Beschreibung von Kompetenzstufen herangezogen werden.

Sie allein vermag Kompetenzentwicklung aber noch nicht abzubilden. Es bleibt unbe-rücksichtigt, dass einzelne Basiskonzepte auf unterschiedliche Weise konzeptuali-siert werden können, wie die Conceptual Change - Forschung  zeigt (z.B. Duit, 1986; Vosniadou, 2008). In diesem Zusammenhang finden Liu & McKeough (2005), dass sich das Verständnis des Energiekonzepts entlang hierarchisch aufeinander aufbau-ender Konzeptualisierungen entwickelt, die als Entwicklungsstufen betrachtet werden können. Auf dieser Grundlage lässt sich das Modell nach Kauertz (2008) um die Di-mension  Konzeptentwicklung erweitern (vgl. Neumann et al., 2008).

Mit fortschreitender Entwicklung ihrer physikalischen Kompetenz sollten Schülerin-nen und Schüler deshalb in der Lage sein, bei der Lösung eines Problems auf eine ausdifferenziertere Wissensbasis zurückzugreifen. Je kompetenter Schülerinnen und Schüler in diesem Zusammenhang im Mittel sind, desto größer darf die Differenz der Komplexität des Aufgabentextes (d.h. die zusätzlich gelieferte Information) und er-warteter Lösung sein. Diese Differenz dient als Maß für die Aufgabenschwierigkeit, in dem Sinne, dass kompetente Schülerinnen und Schüler Aufgaben lösen können, die im Aufgabenstamm nur wenige Informationen bereithalten.

Das Projekt führt damit die Kompetenzforschung und die Forschung im Bereich Con-ceptual Change in der Frage zusammen: Lässt sich die Entwicklung physikalischer Konzepte auf Grundlage des Modells in den Dimensionen Komplexität und Konzept-entwicklung beschreiben?

Die empirische Prüfung des Kompetenzmodells als Entwicklungsmodell findet im Rahmen einer Längsschnittuntersuchung in den Jahrgängen 6, 8 und 9 (G8) statt. Das Modell wird dabei durch entsprechend konstruierte Testaufgaben operationali-siert. In diesem Zusammenhang wird angenommen, dass mit fortschreitender Kom-petenzentwicklung Aufgaben höherer Entwicklungs- und Komplexitätsstufen gelöst werden.

Um den Schülerinnen und Schülern geeignete Aufgaben vorlegen zu können, muss der Pool entwickelter Testaufgaben zuvor in einer Normierungsstichprobe getestet werden.

Eine erste Pilotierung unter Kontrolle der Lesefähigkeit (Schlagmüller & Schneider, 2007) und kognitiver Fähigkeiten (Heller & Perleth, 2000), mit 32 Aufgaben und ca. 200 Schülern pro Aufgabe, bestätigt im Wesentlichen die grundlegenden Modellan-nahmen: Die Schwierigkeit der eingesetzten Aufgaben wächst mit der Entwicklungs-stufe, der die Aufgabe zugeordnet ist (die Varianzaufklärung liegt bei 50 %). Ein Ein-fluss der Komplexität auf die Aufgabenschwierigkeit konnte hingegen noch nicht zu-friedenstellend nachgewiesen werden. Hier gilt es die Ergebnisse der Hauptuntersu-chung abzuwarten. Schülerinnen und Schüler höherer Jahrgangsstufen lösen die Aufgaben mit einer höheren Wahrscheinlichkeit. Dabei wird die Schülerfähigkeit wie erwartet von kognitiven Fähigkeiten dominiert (vgl. Weinert/Helmke 1995). Der gerin-ge Effekt der Lesefähigkeit weist auf gut verständliche Aufgabentexte hin, so dass ein hohes Leseverständnis keinen großen Vorteil beim Bearbeiten liefert. Ebenso spielt die Lesegeschwindigkeit aufgrund ausreichend gewährter Bearbeitungszeit augenscheinlich nur eine nebensächliche Rolle.

Forschungsstand 2011

Die Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss im Fach Physik benennen für den Kompetenzbereich Fachwissen vier Basiskonzepte. Mit dem Mittleren Schulabschluss sollen Schülerinnen und Schüler auf Grundlage dieser Basiskonzepte ein strukturiertes Basiswissen erwerben. Zur Evaluation der Standards in den Naturwissenschaften für die Sekundarstufe I (ESNaS) wird ein Kompetenzmodell verwendet, das fünf Kompetenzniveaus zwischen der Kenntnis isolierter Fakten und einem konzeptuellen Verständnis unterscheidet. Damit kann erfasst werden, wie komplex das Verständnis ist, das Schülerin-nen und Schüler am Ende der Sekundarstufe I bezüglich eines Basiskonzepts erworben haben.

Die Forschung zu Schülervorstellungen zeigt jedoch, dass Schülerinnen und Schüler über unterschiedli-ches Verständnis des gleichen physikalischen Konzepts verfügen können. Neuere Studien weisen zudem darauf hin, dass sich das Verständnis eines physikalischen Konzepts im Verlauf der Schulzeit entlang bestimmter Konzeptualisierungen des Konzepts entwickelt. Entsprechend müssen bei der Be-schreibung der Entwicklung physikalischer Kompetenz im Bereich Fachwissen neben der Komplexität der Wissensbasis der Schülerinnen und Schüler zum jeweiligen Basiskonzept auch mögliche Konzeptualisierungen des jeweiligen Basiskonzepts berücksichtigt werden.

Ziel dieses Projekts ist die empirische Validierung eines entsprechenden Modells der Entwicklung physi-kalischer Kompetenz für das Basiskonzept Energie.

In einem ersten Schritt wurde das Modell für das Energiekonzept operationalisiert und im Rahmen eines Querschnitts über die Sekundarstufe I validiert. Zu diesem Zweck wurden für jede mögliche Kombination aus Konzeptualisierung und Komplexität Aufgaben entwickelt. Dabei wurden vier aufeinander aufbauen-de Konzeptualisierungen des Energiekonzepts angenommen: Quellen und Formen (1), Transfer und Umwandlung (2), Entwertung (3), Erhaltung (4). Die Komplexität der Aufgaben wurde in vier Stufen über unterschiedlich komplexe Informationen im Aufgabentext variiert.

Im Rahmen einer Pilotierungsstudie mit N = 395 Schülerinnen und Schülern der Jahrgänge 7 bis 11 wur-den 32 Aufgaben in zwei Testheften zu 20 Aufgaben bei jeweils 8 Ankeraufgaben pilotiert. Zudem wurden die kognitiven Fähigkeiten sowie die Lesefähigkeit erfasst. Die Auswertung der Daten erfolgte auf Grundlage des dichotomen Raschmodells. Die Ergebnisse zeigen einen mittleren Zusammenhang zwischen der Konzeptualisierung einer Aufgabe und der Aufgabenschwierigkeit (Kendall’s  = .47, p < .01) und die Schülerinnen und Schüler höherer Jahrgänge zeigen eine höhere Personenfähigkeit (Kendall‘s  = .22, p < .01). Dieser Einfluss des Jahrgangs auf die Personenfähigkeit bleibt bei Kontrolle der kognitiven Fähigkeiten und der Lesefähigkeit bedeutsam.

Im Rahmen einer querschnittlich angelegten Normierungsstudie wurden anschließend N = 120 Aufgaben mit N = 1856 Schülerinnen und Schülern normiert, die jeweils Unterricht nach den Vorgaben des Lehrplans für das Ende der Jahrgänge 6, 8 und 10 erhalten haben. Analog zur ersten Studie, wurden die kognitiven Fähigkeiten und die Lesefähigkeit kontrolliert. Die Ergebnisse bestätigen sowohl den Zusammenhang zwischen Aufgabenschwierigkeit und Konzeptualisierung (Kendall‘s  = .39, p < .01) als auch zwischen Fähigkeit und Jahrgang (Kendall’s  = .29, p < .01).

Beide Studien geben Hinweise darauf, dass sich die Entwicklung des Verständnisses vom Energiekon-zept entlang der angenommenen Hierarchie von Konzeptualisierungen vollzieht. Für eine umfassendere Bestätigung der Vermutung ist jedoch eine längsschnittliche Untersuchung notwendig. Hierfür wurden die Schülerinnen und Schüler, die im Rahmen der Normierungsstudie in Jahrgang 6 getestet wurden, in Jahrgang 7 erneut befragt. Dabei zeigte sich auch ohne Unterricht zum Thema Energie ein statistisch bedeutsamer Kompetenzzuwachs, t(401) = -4.06, p < .01. Dieser fällt jedoch im Vergleich zu den in der Normierungsstudie festgestellten Unterschieden in der mittleren Personenfähigkeit zwischen den Jahr-gängen 6, 8 und 10 gering aus. Für eine abschließende Bewertung müssen daher die Ergebnisse nach Vervollständigung des Längsschnitts, d.h. nach erneuter Testung der Schülerinnen und Schüler in Jahr-gang 8 und 9, abgewartet werden.

 

 

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