The results of a questionnaire that should reveal students’ knowledge about the use of computers in mathematics and the relevance of applications of mathematics in our society clearly show that current math teaching does not provide adequate ideas about the importance of computers. We describe the results and give examples of mathematical activities that are suitable to both foster mathematical concepts and widen the mathematical view. Possible changes in the curriculum are discussed.

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.

Keine andere Wissenschaft ist in einem so hohen Maße mathematisiert wie die Physik. Aufgrund dieser engen Verbindung beider Wissenschaften muss geklärt werden, welche Rolle die Mathematik im Physikunterricht spielen soll. Um einen theoretischen Rahmen bereitzustellen, wird ein didaktisches Modell erarbeitet, das mathematik- und physikdidaktische Erkenntnisse mit wissenschaftstheoretischen Argumenten zur Rolle der Mathematik in der Physik verbindet. Unter der daraus resultierenden Perspektive der konzeptuell-mathematischen Physik wird die Aufgabenkultur im Physikunterricht beleuchtet und neue Aufgaben zum Themengebiet der Mechanik konstruiert, die die Übersetzung zwischen physikalischer Bedeutung und mathematischen Strukturen thematisieren. Auf diesen Aufgaben basiert die qualitative empirische Studie, die die Verständnisprobleme von Schülerinnen und Schülern neunter und zehnter Klassen verschiedener Gymnasien beim Verbinden von Physik und Mathematik untersucht. Die Analyse ergibt verschiedene Problembereiche, wobei sich insbesondere beim Übersetzen zwischen physikalischer Bedeutung und mathematischen Strukturen problematische Vorstellungen zeigen. So werden teilweise funktionale Abhängigkeiten zwischen den Faktoren eines Produktes gesehen. Andererseits zeigt sich aber auch, dass der Abgleich zwischen der mathematischen Herleitung und der physikalischen Interpretation der entscheidende Faktor für das erfolgreiche Lösen einer Aufgabe sein kann.

The results of a questionnaire that should reveal students’ knowledge about the use of computers in mathematics and the relevance of applications of mathematics in our society clearly show that current math teaching does not provide adequate ideas about the importance of computers. We describe the results and give examples of mathematical activities that are suitable to both foster mathematical concepts and widen the mathematical view. Possible changes in the curriculum are discussed.

Keine andere Wissenschaft ist in einem so hohen Maße mathematisiert wie die Physik. Aufgrund dieser engen Verbindung beider Wissenschaften muss geklärt werden, welche Rolle die Mathematik im Physikunterricht spielen soll. Um einen theoretischen Rahmen bereitzustellen, wird ein didaktisches Modell erarbeitet, das mathematik- und physikdidaktische Erkenntnisse mit wissenschaftstheoretischen Argumenten zur Rolle der Mathematik in der Physik verbindet. Unter der daraus resultierenden Perspektive der konzeptuell-mathematischen Physik wird die Aufgabenkultur im Physikunterricht beleuchtet und neue Aufgaben zum Themengebiet der Mechanik konstruiert, die die Übersetzung zwischen physikalischer Bedeutung und mathematischen Strukturen thematisieren. Auf diesen Aufgaben basiert die qualitative empirische Studie, die die Verständnisprobleme von Schülerinnen und Schülern neunter und zehnter Klassen verschiedener Gymnasien beim Verbinden von Physik und Mathematik untersucht. Die Analyse ergibt verschiedene Problembereiche, wobei sich insbesondere beim Übersetzen zwischen physikalischer Bedeutung und mathematischen Strukturen problematische Vorstellungen zeigen. So werden teilweise funktionale Abhängigkeiten zwischen den Faktoren eines Produktes gesehen. Andererseits zeigt sich aber auch, dass der Abgleich zwischen der mathematischen Herleitung und der physikalischen Interpretation der entscheidende Faktor für das erfolgreiche Lösen einer Aufgabe sein kann.

Das derzeitige Lebensmittelsystem gilt als einer der Hauptverursacher zahlreicher globaler Probleme wie dem Klimawandel und dem Rückgang der Biodiversität. Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE), die eine nachhaltige Ernährung bei jungen Menschen fördert, kann wesentlich zur Überwindung dieser Probleme beitragen. Zudem stellt das Thema einer nachhaltige Ernährung einen in höchster Form geeigneten Beispielkontext für BNE dar, weil es so gut wie kaum ein anderes Thema die ökologische, soziale und ökonomische Dimension einer nachhaltigen Entwicklung in einem regional-globalen Bezugsrahmen vereint. Für die Entwicklung geeigneter Lehr-Lernarrangements sollten jedoch die Lernvoraussetzung bezüglich einer Bildung für nachhaltigen Ernährung berücksichtigt werden, welche sowohl die Präkonzepte zum Unterrichtsgegenstand als auch psychologische Faktoren umfassen, die nachhaltige Ernährungsabsichten und Ernährungsverhaltensweisen fördern. Aufgrund ihrer besonderen Bedeutung für die Ausführung umweltfreundlicher Verhaltensweisen, wie eine nachhaltige Ernährung, untersuchte die erste Studie die Mensch-Natur-Beziehung von 2173 deutschen (MAlter = 14,56 Jahre, SD = 1,45; weiblich: 55,1%) und 451 ecuadorianischen (MAlter = 14,63 Jahre, SD = 1,77; weiblich: 55,3%) Schüler*innen der Sekundarstufe. Im Speziellen wurde die Rolle ausgesuchter grundlegender menschlicher Werte, des Geschlechts und der in der Natur verbrachten Zeit für die Entwicklung von Naturverbundenheit und Umweltbetroffenheit in den zwei Kulturen beleuchtet. Die Ergebnisse zeigten, dass die ecuadorianischen Schüler*innen naturverbundener als Schüler*innen in Deutschland waren. Darüber hinaus wurden kulturspezifische Unterschiede hinsichtlich der dimensionalen Struktur von Umweltbetroffenheit sowie der Rolle des Geschlechts für die Entwicklung von Naturverbundenheit und biospherisch motivierte Umweltbetroffenheit ermittelt. Die Wertedimension Selbst-Überwindung sowie die in der Natur verbrachte Zeit stellten in beiden Kulturen Determinanten für Naturverbundenheit und biospherisch motivierte Umweltbetroffenheit dar. Mit Blick auf die unterrichtliche Praxis sprechen die Befunde der Studie dafür, dass die Wertedimension Selbst-Überwindung und Zeit in der Natur gefördert werden sollten, um die Mensch-Natur-Beziehung bei Schüler*innen sowohl in Ecuador als auch in Deutschland zu stärken. Die zweite Studie verfolgte das Ziel, Faktoren zu identifizieren, die nachhaltige Ernährungsabsichten und -verhalten bei Jugendlichen vorhersagen. Zu diesem Zweck wurden in einer zweiten quantitativen Studie 624 deutsche Schüler*innen der Sekundarstufe (MAlter = 16,63 Jahre; SD = 1,15; weiblich: 48,2%) hinsichtlich ihrer Intention, sich nachhaltig zu ernähren, zu ihren Ernährungsgewohnheiten (vegetarisch/vegan oder omnivor) und zu mehreren Faktoren befragt, die in früheren Studien im Zusammenhang mit umweltfreundlichen Verhaltensweisen standen. Die Studie identifizierte die wahrgenommene Konsument*inneneffektivität, biospherisch motivierte Umweltbetroffenheit sowie Wissen über nachhaltige Ernährung als Determinanten für die Intention sich nachhaltige zu ernähren und für die Ausführung einer vegetarischen Ernährungsweise, welche ein partielles Beispiel einer nachhaltigen Ernährung darstellt. Während Naturverbundenheit lediglich für die Erklärung von der Intention sich nachhaltige zu ernähren relevant war, sagte die dispositionelle Empathie gegenüber Tieren nur Vegetarismus vorher. Damit gibt die Studie wichtige Hinweise darauf, welche Faktoren bei der Entwicklung didaktischer Konzepte zur Förderung nachhaltiger Ernährungsweisen berücksichtigt werden sollten. Mittels semistrukturierten Einzelinterviews wurden in der dritten Studie die Vorstellungen von 46 deutsche Schüler*innen Sekundarstufe (MAlter = 15,59, SD = 0,78; weiblich = 47,8%;) bezüglich einer nachhaltigen Ernährung erhoben. Dabei wurde ermittelt, wie präsent die Dimensionen einer nachhaltigen Ernährung (Gesundheit, Umwelt, Wirtschaft, Gesellschaft und Kultur) in den Vorstellungen der Schüler*innen sind. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schüler*innenvorstellungen bezüglich einer nachhaltigen Ernährung von der gesundheitlichen Dimension dominiert wurden. Je mehr Dimensionen die Schüler*innen jedoch in Ihren Vorstellungen berücksichtigten, desto weniger wurde die gesundheitliche Dimension fokussiert und desto stärker war die Dimension Umwelt in den Vorstellungen vertreten. Die Dimensionen Gesellschaft, Wirtschaft und besonders Kultur fanden insgesamt wenig Berücksichtigung in den Vorstellungen der Schüler*innen. Darüber hinaus verfügten einige Schüler*innen über alternative Vorstellungen bezüglich des Ausdrucks einer nachhaltigen Ernährung und konnten keine Beziehung zwischen einer nachhaltigen Ernährung und den Dimensionen Umwelt, Gesellschaft, Wirtschaft und Kultur herstellen, was auf eine vorherrschend egozentrische Sichtwiese auf Ernährung hindeutet, die die Grenzen des eigenen Körpers nicht überschritt. Da die Vorstellungen von Schüler*innen bezüglich einer nachhaltigen Ernährung, aber auch psychologische Faktoren, welche eine nachhaltige Ernährung begünstigen, wichtige Lernvoraussetzungen für eine Bildung für nachhaltige Ernährung darstellen, bilden die Ergebnisse die Grundlage für die erfolgreiche Entwicklung von Lehr-Lernarrangements zu dieser Thematik. Vorschläge zur Integration der Ergebnisse in die unterrichtliche Praxis werden gegeben.

Schüler/innen zu befähigen, die allgegenwärtige Rechentechnik in ihrem Umweld zu erkennen und zu bewerten ist ein international proklamiertes Ziel sekundärer Informatikbildung. Zu diesem Zweck müssen sie von ihrem schulischen Wissen auch tatsächlich im Alltag Gebrauch machen. Ausgehend von Theorien zu Lerntransfer und existierender Forschung zu Schülervorstellungen, untersucht diese Dissertation die Denk- und Lernprozesse von Schüler/innen über konkrete informatische Geräte. Die erste Studie untersucht, welche Arten von Technik Schüler/innen allgemein unterscheiden. Ich stelle eine Grounded Theory zu einer entsprechenden Taxonomie vor. Diese legt nahe, dass Rechentechnik keine vordergründige Kategorie für sie darstellt, was entsprechenden Transfer erschweren würde. Die zweite Studie untersucht, wie Schüler/innen Rechen- von Nicht-Rechentechnik unterscheiden. Ich stelle eine Grounded Theory entsprechender Denkprozesse vor. Diese zeigt, dass etliche Schüler/innen Rechentechnik unsachgemäß anhand inhärenter Fähigkeitsgrenzen unterscheiden, was ebenfalls Transfer behindern würde. Die dritte Studie untersucht daraufhin Lernprozesse im Kontext einer Intervention, die die oben genannten Punkte adressieren soll. Sie zeigt, dass einige Schüler/innen Probleme damit haben, Rechentechnik als gleichzeitig ökonomisch und leistungsfähig zu verstehen, was wiederum seine Verbreitung und Auswirkungen einschränkt. Die Analyse legt zudem erste Richtlinien für das Design entsprechender Interventionen nahe. Die Studien werden anschließend integriert diskutiert. Insbesondere stelle ich Lernziele und Aktivitäten vor, welche eine Teilantwort meiner ursprünglichen Leitfrage bilden: was müssen Schüler/innen lernen, um Rechentechnik im Alltag adäquat zu erkennen und zu bewerten? Ich diskutiere Implikationen für die Praxis sowie potentielle weiterführende Forschung, vor allem im Bezug zu einer Informatikbildung, die sich als Säule moderner Allgemeinbildung versteht. / Enabling students to recognize and evaluate the ubiquitous computing technologies in their lives is an internationally proclaimed goal of a secondary informatics education. To that end, they need to actually engage with their school-learned knowledge in the context of everyday situations. Based on theories of knowledge transfer and prior research on student conceptions, this thesis investigates students' related thinking and learning processes. The first study investigates what kinds of technology students generally distinguish. I propose a grounded theory for a related taxonomy. It suggests that computing technology is, in fact, not a very salient kind of technology for many, which poses a challenge for related transfer. The second study investigates how students even distinguish computing from non-computing technology. I propose a grounded theory of their related reasoning processes. It shows that students may inappropriately distinguish computing devices on the basis of inherent capability limitations, which would also be detrimental to transfer. The third study investigates students' learning processes in the context of an intervention designed to address these issues. It revealed that several students apparently had difficulty to conceive of computing technology as simultaneously economical and powerful, thus limiting its potential ubiquity and impact. The analysis also indicates some initial guidelines for the design of related interventions. The three studies are then integrated and discussed. In particular, I propose a set of learning objectives and activities as a partial answer to my original guiding question: what is it that students need to learn in order to adequately recognize and evaluate computing technologies in their lives? I discuss implications for practice and potential avenues for future research, especially with respect to a general informatics education that regards itself as part of a contemporary general education.

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