Im Zuge der Anbahnung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung (scientific literacy), wie sie in nationalen (GDSU, 2013; KMK, 2005a, b, c) und internationalen (NGSS, 2013) Rahmenwerken bzw. Standards gefordert wird, nehmen fachgemäße, authentische Denk-, Arbeits- und Handungsweisen [DAH] auch im Sachunterricht der Grundschule einen wichtigen Stellenwert ein. Hierzu zählt unter anderem der kompetente Umgang mit (natur-)wissenschaftlichen Modellen. Unter dem Stichwort Modellkompetenz umfasst dies drei zentrale Facetten (vgl. Chiu & Lin, 2019; Gilbert & Justi, 2016; Nicolaou & Constantinou, 2014; Schwarz et al., 2009; Upmeier zu Belzen et al., 2019a): (1) (prozedurale) Modellierungsprozesse: Konstruktion und Anwendung (z.B. um Vorhersagen zu machen; Phänomene zu erklären), Evaluation (z.B. unter Berücksichtigung neuer Evidenzen) und Überarbeitung von Modellen. (2) (deklaratives) Modellverstehen: meta-theoretisches Wissen über diese Prozesse sowie die Eigenschaften (z.B. Evidenzbasiertheit) und den Zweck von Modellen (z.B. Generierung neuen Wissens). (3) Fachinhalte: domänenspezifische Inhalte orientiert an (inter-)nationalen Standards, Rahmenwerken und Curricula. Mit der Anbahnung einer solchen Modellkompetenz assoziierte, positive Auswirkungen (z.B. auf den Erwerb von konzeptuellem, prozeduralem oder epistemologischem Wissen, vgl. Hodson, 2014) sind für die Primarstufe bislang hauptsächlich theoretisch postuliert bzw. aus Be-funden der Sekundarstufe abgeleitet. Es gilt diese für die Grundschule empirisch zu prüfen. Um sich derartigen Desideraten zielführend widmen zu können, bedarf es jedoch zunächst der Grundlagenforschung in Form von Beschreibung und Erfassung der dargelegten Modellkom-petenz(-facetten) im naturwissenschaftlich-orientierten Sachunterricht. An dieser Stelle setzen die Teilstudien der vorliegenden kumulativen Dissertation an: Studie I widmet sich zunächst der deklarativen Modellkompetenzfacette. Im Zentrum steht die Entwicklung von Messinstrumenten in einem Convergent Mixed-Methods Design zur validen Erfassung und Beschreibung des Modellverstehens von Lernenden (u.a. in Abhängigkeit verschiedener Kontexte) im Sachunterricht. Ergebnisse zeigen, dass die theoretische Verortung und Ableitung von Antwortalternativen aus einem für die Sekundarstufe entwickelten Modell-kompetenz-Kompetenzmodell (vgl. Upmeier zu Belzen et al., 2019a) bzw. die Adaption darauf basierender Instrumente (vgl. Gogolin, 2017) prinzipiell tragfähige Ansatzpunkte für die Generierung valider Aufgaben für den Primarbereich bieten. Zentral bzw. verstehensförderlich ist dabei deren Einbettung in Geschichten sowie die Auswahl passender Kontexte. Insgesamt wurden die eingesetzten Aufgaben von den Proband:innen zwar weitgehend zufriedenstellend wie theoretisch intendiert verstanden, derartig theoriekonformes Verstehen nahm jedoch mit zunehmendem Komplexitätsgrad der Niveaus im Kompetenzmodell ab. Insbesondere bezüglich der Sicht auf Modelle als Werkzeuge wissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung, bestehen große interindividuelle Unterschiede in der untersuchten Altersstufe. Überwiegend wurde den Schüler:innen daher ein eher naiv-realistisches Modellverstehen attestiert (vgl. Gogolin, 2017; Haider, 2019), auch wenn sie in der Regel zwischen Original und Modell unterscheiden konnten. Studie II befasst sich weiterführend mit der prozeduralen Modellkompetenzfacette. Mittels eines Beobachtungsprotokolls (vgl. Baumfalk et al., 2019) wurden in dieser international vergleichend angelegten, explorativ-qualitativen Studie videographierte, naturwissenschaftlich-orientierte (Sach-)Unterrichtssequenzen aus Deutschland und der USA dahingehend untersucht, inwiefern bzw. wie ausgeprägt die Arbeit mit Modellen bzw. das selbsttätige Modellieren – über verschiedenste Themenfelder und Jahrgangsstufen hinweg – erfolgt. Zentrale Ergebnisse zeigen, dass die Modellkonstruktion und -anwendung im untersuchten Unterricht beider Länder am häufigsten vorkam, während die Evaluation und Überarbeitung von Modellen wenig bzw. im deutschen Sample gar nicht beobachtet wurde. Die meisten teilnehmenden Lehrkräfte, sowohl in den USA als auch in Deutschland, boten ihren Schüler:innen – trotz tragfähiger Ansatzpunkte – folglich generell (noch) nicht genügend Möglichkeiten zum (natur-)wissenschaftlichen Modellieren, vor allem mit Blick auf Modellevaluation und -überarbeitung. In den meis-ten Fällen lag der Fokus auf etablierten Repräsentationen (d.h. Modellen) zur Inhaltsver-mittlung und nur selten auf Anlässen, naturwissenschaftliches Modellieren als authentische DAH zur selbsttätigen Erschließung ihrer Lebenswelt zu erleben. Studie III fokussiert die Zusammenführung der zuvor weitgehend isoliert betrachteten Modellkompetenzfacetten in einem theoretisch postulierten Modellkompetenzframework (Learning Performances Framework [LPF]). Angestrebt wird hier die kompetenzorientierte Beschreibung und Erfassung der Modellkompetenz von Grundschüler:innen als Konglomerat (knowledge-in-use; vgl. Harris et al., 2016, 2019) aus deklarativem Modellverstehen (epistemisches Wissen) und prozeduralen Modellierungsprozessen unter Einbezug domänenspezifischer Inhalte. Zur empirischen Überprüfung des Frameworks wurden im Rahmen der explorativ-qualitativen Studie – orientiert am Evidence-Centered Design Ansatz (vgl. Harris et al., 2016, 2019; McElhaney et al., 2018; Mislevy & Haertel, 2006; Mislevy et al., 2017; Riconscente et al., 2015) – Aufgaben(-stämme) zum exemplarischen Thema des Wasserkreislaufs entwickelt und iterativ im Feld erprobt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die kompetenzorientierten Aufgaben im letzten Implementationszyklus ausreichend robuste Aussagen der Proband:innen evozieren konnten, um das LPF theoretisch zu sättigen. Dies beinhaltet die Ausdifferenzierung aller, im LPF fokussierter, Kompetenzausprägungen (learning performances, vgl. Krajcik et al., 2007) durch Level, die das entsprechend komplexe Spektrum der Schüler:innenaussagen berücksichtigen und adäquat abbilden sollen. Die Mehrheit der codierten Äußerungen, innerhalb und über alle LPF Zellen hinweg, wurden dabei im basalen Level 1 (= geringer Elaborations- bzw. Abstraktionsgrad) verortet. Dennoch gab es belastbare Hinweise auf Lernende, die auch abstrakte(re) Modellelemente erkennen und verstehen konnten (Level 2) oder, hinsichtlich der fokussierten learning performance(s), vernetzend auf holistischer bzw. mechanistischer Ebene (Level 3) agierten. Implikationen (z.B. für die Forschung, Lehrer:innenbildung, Unterrichtspraxis) sowie Limitationen der konstitutiven Teilstudien werden in den entsprechenden Veröffentlichungen diskutiert.:I. ZUSAMMENFASSUNG 1 II. ABSTRACT 3 1. EINLEITUNG / AUSGANGSPUNKT DER FORSCHUNGSARBEIT 5 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN 9 2.1. NATURWISSENSCHAFTLICHE MODELLE 9 2.2. NATURWISSENSCHAFTLICHE MODELLIERUNGSPROZESSE [MODELING PRACTICES] 10 2.3. MODELLVERSTEHEN [META-MODELING KNOWLEDGE] 11 2.4. MODELLKOMPETENZ [MODELING COMPETENCE] 11 3. LEITENDE BEFUNDE ZU MODELLKOMPETENZ(-FACETTEN) IN DER GRUNDSCHULE 16 3.1. DEKLARATIVE FACETTE VON MODELLKOMPETENZ: MODELLVERSTEHEN VON (GRUND-) SCHÜLER:INNEN 16 3.2. PROZEDURALE FACETTE VON MODELLKOMPETENZ: MODELLIERUNGSPROZESSE 17 3.3. ZUSAMMENFASSUNG: FORSCHUNGSDESIDERATE 18 4. EMPIRISCHER TEIL – EIGENE STUDIEN 20 4.1. STUDIE I – MODELLVERSTEHEN VON GRUNDSCHÜLER:INNEN IM NATURWISSENSCHAFTLICH-ORIENTIERTEN SACHUNTERRICHT 20 4.1.1. BEITRAG 1 – MODELLVERSTEHEN VON GRUNDSCHÜLER:INNEN IN ABHÄNGIGKEIT VON KONTEXT UND KOMPETENZNIVEAUS 21 4.1.2. BEITRAG 2 – MIXED-METHODS-DESIGN ALS GRUNDLAGE FÜR DIE ENTWICKLUNG VON AUFGABEN ZUR ERFASSUNG VON MODELLKOMPETENZ VON GRUNDSCHULKINDERN 21 4.2. STUDIE II – MODELLIERUNGSPROZESSE IM NATURWISSENSCHAFTLICH-ORIENTIERTEN SACHUNTERRICHT DER GRUNDSCHULE 21 4.2.1. BEITRAG 3 – INVESTIGATING SCIENTIFIC MODELING PRACTICES IN U.S. AND GERMAN ELEMENTARY SCIENCE CLASSROOMS: A COMPARATIVE, CROSS‐NATIONAL VIDEO STUDY 22 4.3. STUDIE III – MODELLKOMPETENZ VON GRUNDSCHÜLER:INNEN IM NATURWISSENSCHAFTLICH-ORIENTIERTEN SACHUNTERRICHT 22 4.3.1. BEITRAG 4 – SUPPORTING PRIMARY STUDENTS’ DEVELOPING MODELING COMPETENCE FOR WATER SYSTEMS 23 4.3.2. BEITRAG 5 – EMPIRICALLY GROUNDING A LEARNING PERFORMANCES FRAMEWORK FOR K-5 STUDENTS’ MODELING COMPETENCE USING EVIDENCE-CENTERED DESIGN 23 5. GESAMTDISKUSSION 24 5.1. ZUSAMMENFASSUNG/-FÜHRUNG DER ERGEBNISSE 24 5.2. IMPLIKATIONEN 28 5.2.1. FORSCHUNG 29 5.2.2. UNTERRICHTSPRAXIS 32 5.2.3. LEHRER:INNENBILDUNG 34 5.3. ERGÄNZENDE BEITRÄGE 36 5.3.1. BEITRAG 6 – MEHR ALS MATCHBOX. MODELLE UND MODELLIEREN IN DER GRUNDSCHULE 36 5.3.2. BEITRAG 7 – MODELLE 36 6. FAZIT 37 7. LITERATUR [RAHMUNG] 38 III. DANKSAGUNG 55 IV. ABBILDUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS 57 V. ANHANG 58 ANHANG 1 – BEITRÄGE 58 ANHANG 1.1. BEITRAG 1 59 ANHANG 1.2. BEITRAG 2 68 ANHANG 1.3. BEITRAG 3 116 ANHANG 1.4. BEITRAG 4 159 ANHANG 1.5. BEITRAG 5 177 ANHANG 1.6. BEITRAG 6 266 ANHANG 1.7. BEITRAG 7 272 ANHANG 2 – DARSTELLUNG WISSENSCHAFTLICHER WERDEGANG 280 ANHANG 3 – VERZEICHNIS WISSENSCHAFTLICHER PUBLIKATIONEN 283 ANHANG 3.1. BEITRÄGE IN ZEITSCHRIFTEN 283 ANHANG 3.2. BEITRÄGE IN HERAUSGEBER/-SAMMELBÄNDEN 283 ANHANG 3.3. BEITRÄGE IN JAHRES-/KONFERENZBÄNDEN 284 ANHANG 3.4. LEHR-LERNMATERIAL 284 ANHANG 3.5. VORTRÄGE 286 ANHANG 3.6. POSTER 287 ANHANG 4 – DISSERTATIONSBEZOGENE BIBLIOGRAPHISCHE DATEN 289 ANHANG 5 – BESTÄTIGUNG ETHIKBEIRATANTRAG (STUDIE III) 290 ANHANG 6 – FORSCHUNGSDATENMANAGEMENT 291 ANHANG 6.1. FORSCHUNGSDATENMANAGEMENTPLAN STUDIE I 291 ANHANG 6.2. FORSCHUNGSDATENMANAGEMENTPLAN STUDIE II 296 ANHANG 6.3. FORSCHUNGSDATENMANAGEMENTPLAN STUDIE III 301 ANHANG 7 – ERKLÄRUNG ÜBER DEN EIGENANTEIL GEM. §10 ABS. 4 307 ANHANG 7.1. ERKLÄRUNG FÜR STUDIE I: 307 ANHANG 7.2. ERKLÄRUNG FÜR STUDIE II: 309 ANHANG 7.3. ERKLÄRUNG FÜR STUDIE III: 311 ANHANG 7.4. ERKLÄRUNG FÜR ERGÄNZENDE BEITRÄGE 315 ANHANG 8 – SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG/EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG 317 / For students to become scientifically literate, both national (GDSU, 2013; KMK, 2005a, b, c) and international (elementary) science education standards (NGSS, 2013) and reform documents highlight the incorporation of authentic and meaningful scientific practices into science classrooms—already at the elementary level. One such scientific practice is scientific modeling. A competence-based perspective on scientific modeling (i.e., modeling competence) encompasses three core dimensions (e.g., Chiu & Lin, 2019; Gilbert & Justi, 2016; Nicolaou & Constantinou, 2014; Schwarz et al., 2009; Upmeier zu Belzen et al., 2019a): (1) modeling practices (procedural dimension): model construction and use (e.g., to make predictions; to explain phenomena), evaluation (e.g., based on new evidence), and revision (2) meta-modeling knowledge (declarative dimension): meta-cognitive knowledge about the modeling process, the nature (e.g., evidence-based) and purpose of models (e.g., generation of new knowledge) (3) content (declarative dimension): domain-specific science concepts, aligned with (inter)national standards, frameworks and curricula However, at this point, positive effects (e.g., the acquisition of conceptual, procedural, or epistemological knowledge; e.g., Hodson, 2014) associated with or expected from K-5 students‘ developing modeling competence are still mainly hypothetical or based on findings from higher education modeling research. As such, this warrants further investigation. To pursue respective research interests, the particular theoretical and empirical dimensions of elementary students‘ modeling competence need to be adequately described and assessed first. This is where the present, paper-based dissertation’s constitutive studies come in: Study I, investigates the declarative modeling competence dimension. A Convergent Mixed-Methods Design was employed to develop adequate tasks for the valid assessment and description of elementary students‘ meta-modeling knowledge. Results show that theoretically grounding and deriving tasks from a secondary education modeling competence framework (e.g., Upmeier zu Belzen et al., 2019a) and adapting aligned assessment instruments (e.g., Gogolin, 2017) offer viable starting points for the development of valid tasks for K-5 students as the target audience. Conducive to students‘ understanding of such tasks was also the embedment in accompanying scenarios as well as selecting appropriate contexts (e.g., relatable to their everyday-lives). Overall, participants were able to understand most tasks, to a largely satisfactorily extent, as theoretically intended. However, such a theory-accordant understanding decreased with increasing complexity and elaboration (i.e., level) of the underlying framework. Results indicate significant interindividual differences, particularly with respect to the perspective of models as epistemic tools for sense-making and knowledge acquisition. Thus, participants were predominantly found to have a rather naïve-realistic understanding of models (e.g., Gogolin, 2017; Haider, 2019), even if they were generally able to distinguish between a model and its original (e.g., phenomenon). Study II addresses the procedural modeling competence dimension. Using an observation protocol (Baumfalk et al., 2019), this comparative, exploratory-qualitative study examined video-recorded science lessons from Germany and the United States to explore the extent and relative frequencies of targeted modeling practices—across a wide range of domain-specific content areas and grade level (within the K-5 continuum). Findings indicate that model construction and used occurred most frequently within the observed lessons in both countries, while there was little evidence regarding the evaluation and revision of models, or, in case of the German sample, none at at all. Most participating teachers, both in the U.S. and in Germany, thus generally did not (yet) afford their students sufficient opportunities to engage in any of the modeling practices—especially with regards to model evaluation and revision. In most cases, observed instruction focused on the use of established representations (i.e., models) to deliver standard-based content, whereas opportunities for elementary students to experience modeling as an au-thentic, meaningful sense-making endeavor, were rare. Study III focuses on the development of a theoretical modeling competence framework (learning performances framework [LPF]) that integrates (i.e., knowledge-in-use; e.g., Harris et al., 2016, 2019) all of the previously established core dimensions of the target construct (i.e., meta-modeling knowledge, modeling practices, content) to adequately describe and investigate K-5 students‘ integrated modeling competence. To empirically ground and refine the LPF and its constituting learning performances (e.g., Krajcik et al., 2007), Evidence-Centered Design (e.g., Harris et al., 2016, 2019; McElhaney et al., 2018; Mislevy & Haertel, 2006; Mislevy et al., 2017; Riconscente et al., 2015) was used to guide and inform the development, iterative imple-mentation and revision of LPF-aligned tasks revolving around the water cycle as an exemplary disciplinary topic. Overall, findings show that respective competence-oriented tasks were able to elicit sufficiently robust evidence to ground the LPF and reach a point of theoretical saturation. Moreover, this evidence could be leveraged to develop discernable level for all learning performances of the framework to adequately describe and reflect the broad range of student statements collected. The majority of coded statements, per and across targeted learning performances, was allocated within level 1 (i.e., lowest degree of elaboration or abstraction, refe-rences to concrete, isolated model elements only). However, results also highlight that some participants were able to recognize and make sense of more abstract model elements (level 2) or interacted with given models in ways that reflected even more sophisticated (i.e., holistic; mechanism-based) perspectives pertaining to targeted LPF dimensions and aligned learning performances (level 3). Implications (e.g., for research, professional development, classroom practice) as well as limitations of these studies are discussed in their corresponding publications.:I. ZUSAMMENFASSUNG 1 II. ABSTRACT 3 1. EINLEITUNG / AUSGANGSPUNKT DER FORSCHUNGSARBEIT 5 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN 9 2.1. NATURWISSENSCHAFTLICHE MODELLE 9 2.2. NATURWISSENSCHAFTLICHE MODELLIERUNGSPROZESSE [MODELING PRACTICES] 10 2.3. MODELLVERSTEHEN [META-MODELING KNOWLEDGE] 11 2.4. MODELLKOMPETENZ [MODELING COMPETENCE] 11 3. LEITENDE BEFUNDE ZU MODELLKOMPETENZ(-FACETTEN) IN DER GRUNDSCHULE 16 3.1. DEKLARATIVE FACETTE VON MODELLKOMPETENZ: MODELLVERSTEHEN VON (GRUND-) SCHÜLER:INNEN 16 3.2. PROZEDURALE FACETTE VON MODELLKOMPETENZ: MODELLIERUNGSPROZESSE 17 3.3. ZUSAMMENFASSUNG: FORSCHUNGSDESIDERATE 18 4. EMPIRISCHER TEIL – EIGENE STUDIEN 20 4.1. STUDIE I – MODELLVERSTEHEN VON GRUNDSCHÜLER:INNEN IM NATURWISSENSCHAFTLICH-ORIENTIERTEN SACHUNTERRICHT 20 4.1.1. BEITRAG 1 – MODELLVERSTEHEN VON GRUNDSCHÜLER:INNEN IN ABHÄNGIGKEIT VON KONTEXT UND KOMPETENZNIVEAUS 21 4.1.2. BEITRAG 2 – MIXED-METHODS-DESIGN ALS GRUNDLAGE FÜR DIE ENTWICKLUNG VON AUFGABEN ZUR ERFASSUNG VON MODELLKOMPETENZ VON GRUNDSCHULKINDERN 21 4.2. STUDIE II – MODELLIERUNGSPROZESSE IM NATURWISSENSCHAFTLICH-ORIENTIERTEN SACHUNTERRICHT DER GRUNDSCHULE 21 4.2.1. BEITRAG 3 – INVESTIGATING SCIENTIFIC MODELING PRACTICES IN U.S. AND GERMAN ELEMENTARY SCIENCE CLASSROOMS: A COMPARATIVE, CROSS‐NATIONAL VIDEO STUDY 22 4.3. STUDIE III – MODELLKOMPETENZ VON GRUNDSCHÜLER:INNEN IM NATURWISSENSCHAFTLICH-ORIENTIERTEN SACHUNTERRICHT 22 4.3.1. BEITRAG 4 – SUPPORTING PRIMARY STUDENTS’ DEVELOPING MODELING COMPETENCE FOR WATER SYSTEMS 23 4.3.2. BEITRAG 5 – EMPIRICALLY GROUNDING A LEARNING PERFORMANCES FRAMEWORK FOR K-5 STUDENTS’ MODELING COMPETENCE USING EVIDENCE-CENTERED DESIGN 23 5. GESAMTDISKUSSION 24 5.1. ZUSAMMENFASSUNG/-FÜHRUNG DER ERGEBNISSE 24 5.2. IMPLIKATIONEN 28 5.2.1. FORSCHUNG 29 5.2.2. UNTERRICHTSPRAXIS 32 5.2.3. LEHRER:INNENBILDUNG 34 5.3. ERGÄNZENDE BEITRÄGE 36 5.3.1. BEITRAG 6 – MEHR ALS MATCHBOX. MODELLE UND MODELLIEREN IN DER GRUNDSCHULE 36 5.3.2. BEITRAG 7 – MODELLE 36 6. FAZIT 37 7. LITERATUR [RAHMUNG] 38 III. DANKSAGUNG 55 IV. ABBILDUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS 57 V. ANHANG 58 ANHANG 1 – BEITRÄGE 58 ANHANG 1.1. BEITRAG 1 59 ANHANG 1.2. BEITRAG 2 68 ANHANG 1.3. BEITRAG 3 116 ANHANG 1.4. BEITRAG 4 159 ANHANG 1.5. BEITRAG 5 177 ANHANG 1.6. BEITRAG 6 266 ANHANG 1.7. BEITRAG 7 272 ANHANG 2 – DARSTELLUNG WISSENSCHAFTLICHER WERDEGANG 280 ANHANG 3 – VERZEICHNIS WISSENSCHAFTLICHER PUBLIKATIONEN 283 ANHANG 3.1. BEITRÄGE IN ZEITSCHRIFTEN 283 ANHANG 3.2. BEITRÄGE IN HERAUSGEBER/-SAMMELBÄNDEN 283 ANHANG 3.3. BEITRÄGE IN JAHRES-/KONFERENZBÄNDEN 284 ANHANG 3.4. LEHR-LERNMATERIAL 284 ANHANG 3.5. VORTRÄGE 286 ANHANG 3.6. POSTER 287 ANHANG 4 – DISSERTATIONSBEZOGENE BIBLIOGRAPHISCHE DATEN 289 ANHANG 5 – BESTÄTIGUNG ETHIKBEIRATANTRAG (STUDIE III) 290 ANHANG 6 – FORSCHUNGSDATENMANAGEMENT 291 ANHANG 6.1. FORSCHUNGSDATENMANAGEMENTPLAN STUDIE I 291 ANHANG 6.2. FORSCHUNGSDATENMANAGEMENTPLAN STUDIE II 296 ANHANG 6.3. FORSCHUNGSDATENMANAGEMENTPLAN STUDIE III 301 ANHANG 7 – ERKLÄRUNG ÜBER DEN EIGENANTEIL GEM. §10 ABS. 4 307 ANHANG 7.1. ERKLÄRUNG FÜR STUDIE I: 307 ANHANG 7.2. ERKLÄRUNG FÜR STUDIE II: 309 ANHANG 7.3. ERKLÄRUNG FÜR STUDIE III: 311 ANHANG 7.4. ERKLÄRUNG FÜR ERGÄNZENDE BEITRÄGE 315 ANHANG 8 – SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG/EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG 317

Damit Schüler:innen in der Lage sind, an einem zunehmend durch Naturwissenschaften geprägten Alltag teilzuhaben, ist es nötig, dass sie über eine naturwissenschaftliche Grundbildung verfügen. Diese steht in engem Zusammenhang mit einem wissenschaftlich adäquaten Verständnis von Modellen und deren Funktion als Medium zur Kommunikation bereits bekannter Sachverhalte sowie als Methode zur Generierung neuen Wissens. Upmeier zu Belzen und Krüger haben für den Biologieunterricht ein Kompetenzmodell der Modellkompetenz entwickelt, innerhalb dessen zwischen den Teilkompetenzen Eigenschaften von Modellen, Alternative Modelle, Zweck von Modellen, Testen und Ändern von Modellen differenziert wird, die in drei Niveaus graduiert sind. Eine hoch ausgeprägte Modellkompetenz zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, über die hypothetischen und erkenntnisgenerierenden Eigenschaften von Modellen zu reflektieren. Für die Förderung einer entsprechenden Modellkompetenz sind Kenntnisse darüber bedeutend, in welchen Niveaus und in welchem Umfang sich die Modellkompetenz von Schüler:innen über mehrere Schuljahre entwickelt. Vor diesem Hintergrund verfolgt die Studie das Ziel, zu untersuchen, inwiefern die im Kompetenzmodell aufgeführten Niveaus eine Entwicklung von Modellkompetenz beschreiben. Dies wurde für die Teilkompetenzen Zweck, Testen und Ändern von Modellen bei zwei Kohorten in einem Längsschnitt von der siebten bis zehnten Jahrgangsstufe bei n = 380 Schüler:innen untersucht. Insgesamt sprechen die Befunde dafür, die im Kompetenzmodell der Modellkompetenz erläuterten Niveaus als Entwicklungsniveaus aufzufassen, die eine Kompetenzentwicklung über mehrere Schuljahre beschreiben und die Veränderung von Kompetenzstrukturen aufzeigen. Für die Klärung der Frage, inwiefern die Niveaus darüber hinaus Stufen darstellen, die im Zuge einer Progression in einer festgelegten Reihenfolge durchlaufen werden, sind weitere Untersuchungen sinnvoll. / In order that high-school level students are able to participate in an everyday life increasingly shaped by science, it is necessary that that they have a certain level of basic scientific literacy. This scientific literacy is closely related to an adequate understanding of models and their function as a medium for communicating already-known facts as well as a means for generating new knowledge. Upmeier zu Belzen and Krüger developed a framework for modeling competence for biology education. They identify five aspects: nature of models, multiple models, purpose of models, testing models, and changing models, each of which is differentiated in three levels. A highly developed modeling competence is characterized by the ability to reflect on the hypothetical character of models and their importance as tools for scientific inquiry. With the intention of fostering an adequate understanding of models and modelling, it is important to gain insight into how students’ abilities develop over time. This study investigates to what extent the theoretical levels of model competence describe different degrees of competence in student learning progression. This is explored for the three aspects purpose of models, testing models, and changing models through a longitudinal study with n = 380 students in grades seven to ten. The findings suggest that the levels of the framework for modeling competence should be regarded as developmental levels that describe a development in student competence over several school years. Yet there is still a research gap regarding the extent to which these levels additionally represent successive levels in a continuous development of competence.

Das Wissenschaftsverständnis als Verständnis über die charakteristischen Grundzüge der Erkenntnisgewinnung und die Eigenschaften naturwissenschaftlichen Wissens ist in einem durch Naturwissenschaften und Technik geprägten Alltag unverzichtbar (z. B. NGSS Achieve Inc., 2013). Viele Autoren gehen davon aus, dass Schüler durch das Konstruieren, Testen und Ändern von Modellen ein Modellverständnis als Bestandteil von Wissenschaftsverständnis erlangen (z. B. Lehrer & Schauble, 2006). Doch bisher konnte keine Studie gefunden werden, die diesen Zusammenhang empirisch belegt. Daher wurde auf der theoretischen Basis des Modells der Modellbildung nach Justi und Gilbert (2002) eine standardisierte Hands-On-Aufgabenstruktur entwickelt und evaluiert. Sie regt Schülerinnen und Schüler dazu an, Tätigkeiten der Modellbildung auszuführen, um eigene Hypothesen zu untersuchen. Dabei aktivierte Schülervorstellungen wurden mit einer Methodenkombination aus Lautem Denken, Interview und Videoaufzeichnung erfasst. Zur Beurteilung der Qualität aktivierter Vorstellungen in unterschiedlich elaborierten Ausprägungen wurde das Kompetenzmodell der Modellkompetenz von Upmeier zu Belzen und Krüger (2010) herangezogen. Als grundlegendes Ergebnis zeigt sich, dass die meisten Probanden der zehnten Jahrgangsstufe trotz unterstützender und strukturierender Maßnahmen keine Vorstellungen über Modelle als Erkenntnismethoden äußerten. Doch in der Arbeit werden andere erfolgreiche Lernangebote zur Aktivierung epistemologischer Schülervorstellungen beschrieben. Eine weitere Erkenntnis der Studie ist, dass die durch Justi und Gilbert (2002) beschriebenen Schritte zur Modellbildung mit Blick auf zukünftige Interventionen um drei Aspekte erweitert werden können. Außerdem werden mit Blick auf die Anbindung in den Schulkontext Unterschiede zwischen grafischen, gegenständlichen und verbalen Modellbildungsprozessen reflektiert, die mithilfe eines qualitativen, experimentellen Untersuchungsdesigns erfasst wurden. / Various authors claim that students achieve a better understanding of the nature of science and scientific inquiry through modeling (e.g. Lehrer & Schauble, 2006). In this process, students develop models of a phenomenon, test their ideas with the model, change the models and discuss the results. Whether students do indeed achieve a better understanding of the nature of science and scientific inquiry through the process of modeling cannot be answered sufficiently by current research. That’s why, in this study the model of modeling by Justi and Gilbert (2002) was transferred into a standardized hands-on tasks. The task forces students to analyze their own questions about a biological phenomenon by building, testing and changing models. In this process, students’ conceptions were captured with a combination of interviews, thinking aloud and videography. The theoretical structure of model competence by Upmeier zu Belzen and Krüger (2010) served to assess the quality of the student statements. A fundamental result of this study is that the participants at the age of sixteen expressed mainly ideas about models as a product of science despite supportive measures. The thesis describes other offers of the hands-on tasks which enable ideas about models as inquiry methods. Another finding of the study is that the modeling steps of Justi and Gilbert (2002) can be extended to three aspects. In addition, and overlooking the school context, differences between graphic, material and verbal modeling processes are described. These were analyzed using a qualitative, experimental study design.

Diagramme phylogenetischer Verwandtschaft (DpV) modellieren Hypothesen zu evolutiven Verwandtschaftsverhältnissen von Arten oder Populationen. Das Interpretieren und Vergleichen von DpV wird als Tree-Reading bezeichnet und ist essentiell für das Evolutionsverständnis. DpV werden in der Wissenschaft als Modelle verwendet, um Wissen zu kommunizieren (medialer Modelleinsatz) und neue Erkenntnisse zu generieren (methodischer Modelleinsatz). Im Biologieunterricht werden Modelle oft nur medial eingesetzt. Während Wissenschaftler:innen mit einschlägigem Forschungsschwerpunkt die wissenschaftlich erforderlichen Ausprägungen von Tree-Reading vorweisen, weichen Lernende mit oberflächlichen oder wissenschaftlich inadäquaten Aussagen zu DpV häufig davon ab. Die vorliegende Studie untersucht anhand verbaler und visueller Daten, inwiefern der Erfahrungsgrad mit DpV und der Modelleinsatz bei Tree-Reading-Prozessen interagieren. Wissenschaftler:innen mit hohem Erfahrungsgrad mit DpV (n = 10) und Studierende des Master of Education Biologie mit niedrigem Erfahrungsgrad (n = 15) bearbeiteten Aufgaben, in denen DpV im medialen oder im methodischen Modelleinsatz eingebettet waren. Die Studierenden zeigten heterogene Tree-Reading-Prozesse, die sich teilweise nicht von denen von Wissenschaftler:innen unterschieden. Dies lässt sich mit dem Revised STREAM (Schramm, Jose, & Schmiemann, 2021) erklären, das Tree-Reading in fünf Dimensionen einteilt, die in unterschiedlicher Ausprägung beherrscht werden können. Entsprechend sollte Tree-Reading bei Lernenden individuell gefördert werden, um das Evolutionsverständnis und das Verständnis gesellschaftsrelevanter Themen zu stärken. Die vorliegende Studie bietet erstmals umfassende Einblicke in Tree-Reading-Prozesse und ist damit Ausgangspunkt für tiefergehende Untersuchungen der einzelnen Aspekte. / Phylogenetic trees (PT) model hypotheses about evolutionary relationships among species or populations. Interpreting and comparing PT is defined as tree reading and is essential for understanding evolution. PT as models are used in science to communicate knowledge (medial perspective) and to generate new insights (methodical perspective). In biology classrooms, model use is often limited to the medial perspective. While experienced scientists exhibit scientifically adequate tree reading, learners often show superficial and scientifically inadequate tree reading. Based on verbal and visual data the present study investigates how the degree of experience with PT and the perspective from which models are used interact in tree reading processes. Scientists with a high degree of experience with PT (n = 10) and pre-service biology teachers with low degree of experience (n = 15) solved tasks with medially and methodically embedded PT, respectively. Pre-service teachers showed heterogeneous tree reading processes, which sometimes did not differ from scientists’ processes. This is in line with the Revised STREAM (Schramm, Jose, & Schmiemann, 2021) dividing tree reading into five dimensions that learners can master on differing levels. Corresponding to these findings, learners’ tree reading skills should be fostered individually to strengthen understanding of evolution and socially relevant issues. The present study provides unique and comprehensive insights into tree reading processes and thus represents a starting point for more profound investigation of the found aspects.