Institut für Pädagogik der Naturwissenschaften
Der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

schriftliche Hausarbeit zur wissenschaftliche Prüfung für das Lehramt an Gymnasien

Empirische Untersuchung zur Lernwirksamkeit von Simulationen
am Beispiel von neurophysiologischen Prozessen

vorgelegt von: Nadine Brinkmeyer
vorgelegt am: 31.05.2004

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung 1

Abstract 2

I Einleitung 3

II Theoretischer Bezugsrahmen 5

1 Modelvorstellungen zum Lernen mit Multimedia 6
1.1 Theorie der dualen Codierung nach Paivio 7
1.2 „Kognitive Theorie des Multimedia Lernens “ nach Mayer 8
1.3 Theorie zum multimedialen Lernen nach Schnotz 10
1.4 Simulationen 10
1.5 Instruktionale Hilfestellungen beim Lernen mit Simulationen 11

2 Beeinflussung des Lernens durch individuelle Lernmerkmale 13
2.1 Themen- und medienspezifisches Vorwissen 13
2.2 Kognitive Belastung 15
2.3 Interesse und Motivation 16

3 Zusammenfassung 18

4 Relevanz der bisherigen Befunde für die biologiedidaktische Forschung 19

III Forschngsansatz 20

1 Fragestellung der Arbeit 20

2 Forschungshypothesen zur Wirksamkeit von Simulationen mit Instruktionen 21

IV Erregungsbildung und -Leitung an der Nervenzellenmembran 22

1 Erregungsbildung und -Leitung an der Nervenzellenmembran aus Fachwissenschaftlicher Perspektive 22
1.1 Aufbau einer Nervenzelle 23
1.2 Aufbau einer Nervenzellmembran 24
1.3 Ruhepotential 26
1.4 Aktionspotential 26
1.5 Erregungsleitung an einem unmyelinisierten Axon 28

2 Struktur und Funktion biologischer Membranen aus didaktischer Perspektive 30

3 Methode 32
3.1 Material 32
3.1.1 Lernumgebungen der Studie 32
3.1.2 Instruktion zum Lernprogramm 36
3.1.3 Erhebungsinstrumente 37
3.1.3.1 Vortest 37
3.1.3.2 Nachtest 40
3.2 Erhebungsmethode 42
3.2.1 Versuchspersonen 43
3.2.2 Ablauf der computergestützten Lernsitzungen 43
3.3 Auswertung: Deskriptive Statistik und inferenzstatistische Methoden 46
3.3.1 Unabhängige Variablen 46
3.3.2 Abhängige Variablen 47
3.3.3 Inferenzstatistik: T-Test und zweifaktorielle Varianzanalyse 49
3.3.3.1 Verfahren zur Überprüfung von Mittelwertunterschieden 49
3.3.4 Auswertungsschema zur Überprüfung der Forschungshypothesen 51

4 Ergebnisse 53
4.1 Deskriptive Statistik der abhängigen Variablen 53
4.1.1 Häufigkeiten der Summenscores in den Kategorien Faktenwissen und Verständnis 53
4.1.2 Häufigkeiten der Lernzuwächse für das Faktenwissen und das Verständnis 57
4.1.3 Deskriptive Statistiken für die Vor- und Nachtestergebnisse und ihre Differenzwerte 59
4.1.4 Häufigkeiten der kognitiven Belastung 61
4.2 Statistische Überprüfung der Forschungshypothesen 63
4.2.1 Hypothese 1a: Einfluss der Gestaltungsweise der Lernumgebung auf den Lernzuwachs 63
4.2.2 Hypothese 1b: Einfluss der Gestaltungsweise der Lernumgebung auf das Verständnis differenziert nach hohem und niedrigem Vorwissen 65
4.2.3 Hypothese 2a: Einfluss von instruktionalen Hilfestellungen auf die kognitive Belastung 69
4.2.4 Hypothese 2b: Einfluss von instruktionalen Hilfestellungen auf die kognitive Belastung differenziert nach hohem und niedrigem Vorwissen 70

5 Diskussion 73
5.1 Die Wirkung von Simulationen im Vergleich zu Simulationen mit instruktionalen ilHilHilfestellungen 74

6 Ausblick 79

V Anhang 81

1 Literaturverzeichnis 81

2 Verzeichnis der Abbildungen 85

3 Verzeichnis der Tabellen 87

4 Software 88
4.1 Technische Details 88

5 Basisinformationsblatt 89

6 Fragebögen 90
6.1 Vortest 90
6.2 Nachtest 100

7 Zusätzliche Ergebnisse 108

8 Erklärung 109

Zusammenfassung

Diese Examensarbeit ergänzt in dem ihr möglichen Rahmen die am Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften in Kiel durchgeführte Studie zum Lernen mit computergestützten Animationen und Simulationen um das Thema „Entstehung und Weiterleitung des Aktionspotentials“.
Im Rahmen des Projektes Biomedia ist die Wirkung von Animationen und Simulationen auf das Verständnis von stoffwechselphysiologischen Prozessen, die die Funktionen von Biomembranen, die Atmungskette und die Primärreaktionen der Fotosynthese einschließen untersucht worden (NERDEL, 2002). Diese Arbeit knüpft an die besagte Studie an und liefert Hinweise darüber, inwiefern Simulationen mit einem unterschiedlichen Ausmaß an instruktionaler Unterstützung zur Verbesserung des Verständnisses von nervenphysiologischen Prozessen wirksam sein können. Des Weiteren wird ermittelt, in welcher Weise individuelle Lernervoraussetzungen, wie zum Beispiel themenspezifisches Vorwissen und kognitive Belastung, den Erfolg des Lerners bei Simulationen mit und ohne instruktionalen Hilfestellungen beeinflussen können.

Der theoretische Rahmen dieser Untersuchung stützt sich auf die kognitions-psychologische empirische Forschung und den daraus folgenden kognitiven Modellen in dem Bereich des computergestützten Lernens.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen keine signifikanten oder gegenläufige Effekte hinsichtlich der Hypothesen. Es waren keine einheitlichen Wechselwirkungsmuster zwischen den individuellen Lernermerkmalen und den computergestützten Lernumgebungen im Hinblick auf das Lernergebnis (Fakten- und Transferwissen) festzustellen. Personen mit geringem Vorwissen fühlten sich in der Tendenz stärker kognitiv belastet als Personen mit hohem Vorwissen, unabhängig davon mit welcher Lernumgebung sie gearbeitet hatten.
Die Aufgabe der Diskussion wird es sein, für die gewonnenen Ergebnisse mögliche Gründe zu erörtern.

Abstract

This “Staatsexamen” thesis supplements, within its means, a study about learning with computer-based animations and simulations in the context of the arousal and transmission of action potentials. The study was conducted at the Leibniz Institute For Science Education at the University of Kiel. The impact of animations and simulations on students’ understanding of metabolic-physiological processes, including functions of biomembranes, the respiratory chain and primary photosynthesis, was examined within the scope of the project “Biomedia” (NERDEL, 2002). Following up to this work, this study gives indications to what extent simulations with a different amount of instructional aid could improve the understanding of neurophysiological processes. In addition, it is examined how requirements of individual learners, e.g. theme-specific prior knowledge, may influence the success of the learner in using simulations with or without instructional aids.

This analysis′ theoretical frame refers to empirical, cognitive psychological research and its resulting cognitive models in the context of computer-based learning. The results don’t show any significant effects with regard to the hypotheses, neither positive nor negative. An analysis of the learning achievements (factual and transfer knowledge) could not pinpoint any consistent patterns of interrelation between individual learner characteristics and the computer-based learning environments. Persons with little prior-knowledge tended to experience a higher level of cognitive load than persons with high prior-knowledge, independent of the kind of learning environment. The discussion aims to debate possible reasons for results attained.

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