Effektivität von interaktivem außerschulischem Unterricht vor dem Hintergrund der Cognitive Load-Theorie

Effectiveness of interactive out-of-school science education against the background of Cognitive Load Theory

Anspruchsvolle Lernumgebungen zeichnen sich dadurch aus, dass Schüler über den reinen Wissenserwerb hinaus viele kognitive Ressourcen für die Anwendung von Schlüsselkompetenzen (Koordination, Zusammenarbeit, Planung, Orientierung, …) aufwenden müssen. Eine Förderung dieser Kompetenzen ist Bestandteil der Lehrpläne und der nationalen Bildungsstandards (KMK 2005), ihre Bedeutung für den Alltag und das spätere Berufsleben sind wohl unumstritten. In der vorliegenden Studie wurden die Schüler mit einAnspruchsvolle Lernumgebungen zeichnen sich dadurch aus, dass Schüler über den reinen Wissenserwerb hinaus viele kognitive Ressourcen für die Anwendung von Schlüsselkompetenzen (Koordination, Zusammenarbeit, Planung, Orientierung, …) aufwenden müssen. Eine Förderung dieser Kompetenzen ist Bestandteil der Lehrpläne und der nationalen Bildungsstandards (KMK 2005), ihre Bedeutung für den Alltag und das spätere Berufsleben sind wohl unumstritten. In der vorliegenden Studie wurden die Schüler mit einer neuartigen, außerschulischen Umgebung konfrontiert, und sie mussten schülerzentriert in einer Gruppe mit Klassenkameraden praktische Tätigkeiten ausführen: Das Unterrichtsprojekt am Salzbergwerk Berchtesgaden umfasste fünf Versuche, die zentrale Eigenschaften von Kochsalz altersgerecht und anschaulich vermitteln . Sowohl außerschulischer Unterricht als auch interaktives Lernen (Gruppenarbeit, experimentelles Arbeiten) sind sehr anspruchsvoll. Sie verursachen zusätzliche (wirkungslose) kognitive Last, die unabhängig von der reinen Auseinandersetzung mit dem Thema (intrinsische kognitive Last) und den damit verbundenen Lernprozessen (wirksame kognitive Last) ist (z. B. Kirschner et al. 2006, Sweller et al. 1998, Hofstein und Lunetta 2004). Um eine Überlastung des Arbeitsgedächtnisses zu vermeiden und dennoch der Forderung nach Kompetenzförderung gerecht zu werden muss deshalb in anspruchsvollen Lernumgebungen besonders auf ein sorgfältiges Unterrichtsdesign geachtet werden. Die Theorie der kognitiven Last (Sweller et al. 1998, Sweller 2010) diente in der vorliegenden Arbeit als Richtlinie für das instruktionale Design. In Teilstudie A konnte gezeigt werden, dass der Lernort selbst nur bedingten Einfluss auf kognitive wie affektive Resultate hat: Eine Durchführung am Salzbergwerk und an einem neutralen Lernort ohne Bezug zum Thema ‚Salz führten zu keinen signifikanten Unterschieden im Lernerfolg und im motivationalen und emotionalen Feedback der Schüler. In den Teilstudien B und C wurde die Eignung der Theorie der kognitiven Last (Sweller et al. 1998, Sweller 2010) als Richtlinie für das instruktionale Design außerschulischer naturwissenschaftlicher Lerneinheiten überprüft. Dazu wurden Cluster entsprechend der individuellen Effektivität des Unterrichts gebildet. Etwa die Hälfte der Schüler zeigte sehr gute Ergebnisse, jeweils etwa ein Viertel hätte besser abschneiden können bzw. lieferte schlechte Resultate. Analysen auf kognitiver und motivationaler Ebene bestätigten die Eignung der Theorie der kognitiven Last als Grundlage für die Ausgestaltung anspruchsvoller naturwissenschaftlicher Lernumgebungen. Es konnte lediglich ein fehlendes Element identifiziert werden: Die Ergebnisse der Teilstudien B und C zeigten, dass mit intensiverer Anleitung, z. B. in Form gezielter Fragen und ermutigenden Feedbacks, die meisten Defizite vermutlich hätten ausgeglichen werden können. Angemessene Anleitung wird zwar im Rahmen der Theorie der kognitiven Last gefordert (van Merrienboer et al. 2006), es werden jedoch keine Spezifikationen gegeben, welchen Kriterien diese im naturwissenschaftlichen Unterricht genügen sollte. Anhaltspunkte für weitere Überlegungen sind vorhanden (van Merrienboer et al. 2006) und sollten als Grundlage für zukünftige Studien herangezogen werden. Die vorliegende Gesamtstudie zeigt, dass effektives und effizientes Lernen in anspruchsvollen Lernumgebungen möglich ist. Die Eignung der Theorie der kognitiven Last wurde bestätigt, wobei der Aspekt der adäquaten Anleitung im naturwissenschaftlichen Unterricht noch weiterer Forschung bedarf. Ein besonderes Anliegen war es, die Bedeutung adäquater Anleitung zu betonen, deren systematische Erforschung und Umsetzung in vielen Forschungsbereichen bislang eher zu kurz kam. Diese Arbeit trägt zu einer Verbesserung von Unterricht in anspruchsvollen Lernumgebungen bei, indem sie Faktoren aufzeigt, die Vermittlung von Wissen effektiv und effizient mit individueller Kompetenzförderung zu verknüpfen.show moreshow less
In demanding learning environments, students – beyond gaining knowledge – need to expend cognitive ressources for implementation of key competencies (coordination, cooperation, planning, orientation, …). Curricula and national educational standards (KMK 2005) increasingly urge to enhance these competencies. It is essential for everyday life and future careers, as well. In the present study, students faced a novel out-of-school environment, and they had to perform student-centred hands-on activitIn demanding learning environments, students – beyond gaining knowledge – need to expend cognitive ressources for implementation of key competencies (coordination, cooperation, planning, orientation, …). Curricula and national educational standards (KMK 2005) increasingly urge to enhance these competencies. It is essential for everyday life and future careers, as well. In the present study, students faced a novel out-of-school environment, and they had to perform student-centred hands-on activities in groups: The lesson at the salt mine Berchtesgaden incorporated five descriptive, age-appropriate experiments about major attributes of salt (NaCl). Both out-of-school learning and interactive learning (group work, experiments) are highly demanding and cause additional (extraneous) cognitive load. Extraneous cognitive load is independent from coping with the subject itself (intrinsic cognitive load) and resulting learning processes (germane cognitive load) (e.g. Kirschner et al. 2006, Sweller et al. 1998). Hence, out-of-school settings in particular require careful instructional design: On the one hand, it is demanding learning settings that foster key competencies, on the other hand, cognitive overload of working memory must be avoided. Cognitive load theory (Sweller et al. 1998, Sweller 2010) provided guidelines for instructional design of the lesson. Part A of the study demonstrated that the learning environment itself had only limited impact on cognitive and affective results: A comparison of the salt mine as learning environment and a neutral learning environment with no links to salt revealed no significant differences in students cognitive achievement and their motivational and emotional feedback. Part B and C of the study examined the value of cognitive load theory (Sweller et al. 1998, Sweller 2010) as a guideline for instructional design of out-of-school science lessons. Student clusters on the basis of the individual effectiveness of the lesson were defined. About 50 percent of the students revealed very good results, about 25 percent could have done better, and about 25 percent showed no satisfying outcomes. Cognitive and motivational analyses confirmed the cognitive load theory as a valuable basis for the design of demanding science learning settings. There was only one issue missing: Part B and C of the study demonstrated that most of the deficiencies could have been compensated if students had had more extended guidance, as, for example, directing questions or encouraging feedback. In the framework of cognitive load theory, suitable guidance is mentioned (van Merrienboer et al. 2006). However, there are no specifications about assembly of suitable guidance in science education. Hence, existing approaches (van Merrienboer et al. 2006) may be the basis for future research. Altogether, the three parts of the study show effective and efficient learning in a demanding learning environment. They confirm the value of cognitive load theory as a theory of instructional design. The study specifically points to the importance of further investigations in assembly of suitable guidance in science lessons, which often has been neglected, up to now. This study substantially contributes to an improvement of the design of demanding learning settings, as conditions have been developed to effectively and efficiently connect individual knowledge gain with a student’s competence formation.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Barbara Meissner
Advisor:Prof. Dr. Franz Bogner
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:21.01.2011
Year of Completion:2010
SWD-Keyword:Didaktik; Kochsalz; Natur und Technik; Naturwissenschaftlicher Unterricht; Salzbergwerk
Tag:Außerschulischer Unterricht; Cognitive Load-Theorie; Engagement; Instruktionale Effizienz; Schülerversuche
cognitive load theory; engagement; instructional efficiency; out-of-school science education; salt mine
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-8239
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):16.03.2011