Einleitung

Die Fähigkeit, wissenschaftlich denken und handeln sowie wissenschaftliche Befunde einordnen zu können, ist nicht (mehr) nur für WissenschaftlerInnen von Bedeutung. Vielmehr ist es für eine aktive Teilhabe an der Wissensgesellschaft sowie die ständige Präsenz von wissenschaftlicher Evidenz in den Medien zentral, Wissenschaft von Täuschung oder scheinbaren Fakten unterscheiden zu können. Dazu ist es hilfreich, selbst zu einem gewissen Grad wie Wissenschaftler denken und argumentieren zu können.

Allerdings erweisen sich wissenschaftliche Kompetenzen als ein komplexes Phänomen, wenn es darum geht, sie theoretisch definieren und mögliche Interventionen empirisch untersuchen zu wollen. Während die Metaanalyse von Schwichow und Kollegen (2016) mit der Variablenkontrollstrategie eine ganz spezifische Form wissenschaftlichen Denkens untersucht, (siehe Kurzreview 16), fasst die vorliegende Metaanalyse wissenschaftliche Kompetenzen in einem allgemeineren Sinne: Sie klärt, wie wissenschaftliche Kompetenzen – verstanden als

• Wissenschaftliches Forschen,
• Wissenschaftliches Argumentieren und
• Verstehen von Wissenschaft

im Unterricht gefördert werden können und wovon eine erfolgreiche Förderung abhängt.

Worum geht es in dieser Studie?

Die Metaanalyse untersucht, in welchem Ausmaß Interventionen wissenschaftliche Kompetenzen von SchülerInnen fördern und inwiefern bestimmte Einflussfaktoren, sogenannte Moderatoren, die Effektivität der Interventionen beeinflussen. Neben Alter und Unterrichtsfach untersuchen die AutorInnen, inwiefern sich die Effektivität der Interventionen im Hinblick auf Wissenschaftliches Forschen, Wissenschaftliches Argumentieren und Verstehen von Wissenschaft unterscheidet.

Diese Aspekte definieren sie wie folgt:

1. Wissenschaftliches Forschen.
   Dazu gehört für die AutorInnen einerseits wissenschaftliches Denken, z.B. anhand der Variablenkontrollstrategie, und andererseits Forschendes Lernen, d.h. Forschungsfragen zu entwickeln, Probleme und Hypothesen zu formulieren, Untersuchungen zu planen und Daten zu erheben, auszuwerten und zu interpretieren.
2. Wissenschaftliches Argumentieren.
   Darunter verstehen die AutorInnen die Fähigkeit, eine Argumentation auf wissenschaftlichen Befunden aufbauen zu können.
3. Verstehen von Wissenschaft.
   Dazu zählt für die AutorInnen, Annahmen, Konzepte, Werte und Grenzen von Wissenschaft zu verstehen.

Zudem untersuchen die AutorInnen, wie sich verschiedene Arten von Lernaktivitäten auf den Erwerb wissenschaftlicher Kompetenzen auswirken. Die Lernaktivitäten klassifizieren sie dafür – basierend auf der ICAP-Hypothese von Chi (2009) und Chi & Wylie (2014) – als interaktiv (I), konstruktiv (C), aktiv (A) oder passiv (P)*. Daraus wollen sie Rückschlüsse ziehen, welche Art von Lernaktivitäten für die Förderung von wissenschaftlichen Kompetenzen besonders geeignet ist.

In die Metaanalyse gehen 30 Interventionen mit experimentellem oder quasi-experimentellem Untersuchungsdesign ein. Die Primärstudien wurden im Zeitraum von 1988-2016 in deutsch- oder englischsprachigen wissenschaftlichen Zeitschriften mit Begutachtungsverfahren veröffentlicht. Insgesamt nahmen an den Studien 3.711 SchülerInnen der Primar- und Sekundarstufe (83 %) in den Fächern Physik (50 %), Biologie (20 %), Chemie (13 %) und weiteren, nicht spezifizierten Fächern (17 %) teil.

* Genauere Informationen zur ICAP-Hypothese finden Sie im Ergebnisteil.

Was findet diese Studie heraus?

Wissenschaftliche Kompetenzen können durch Interventionen gefördert werden. Engelmann und KollegInnen errechnen einen mittelgroßen Effekt (g = 0.71). Die sogenannten Moderatoranalysen zeigen, dass sich Interventionen auf wissenschaftliches Forschen, wissenschaftliches Argumentieren und das Verstehen von Wissenschaft gleichermaßen positiv auswirken – ohne signifikante Unterschiede (vgl. Tabelle 1).

Tabelle 1. Effekte von Interventionen auf wissenschaftliche Kompetenzen.

Weitere Moderatoranalysen ergeben in Bezug auf die Lernaktivitäten, dass keine der untersuchten Interventionen ausschließlich auf passive oder aktive Lernaktivitäten zurückgreift. 62 % der Interventionen bestehen überwiegend aus konstruktiven Lernaktivitäten, das heißt, SchülerInnen werden selbst kreativ; 38 % bauen in erster Linie auf interaktive Lernaktivitäten. Das bedeutet, SchülerInnen sind für die Lösung der Aufgaben auf die Zusammenarbeit mit anderen angewiesen. Die theoretische Annahme von Chi und Wylie (2014), nach der interaktive Lernaktivitäten effektiver sein müssten als konstruktive, bestätigt die Metaanalyse nicht. (vgl. Tabelle 2).

Tabelle 2. Effekte unterschiedlicher Lernaktiväten auf die Förderung von wissenschaftlichen Kompetenzen.

(* Weitere Ergebnisse zu den stärker methodisch orientierten Befunden finden Sie in im Abschnitt „Wie bewertet das Clearing House Unterricht diese Studie“.

Wie bewertet das Clearing House Unterricht diese Studie?

Die Clearing House Unterricht Research Group bewertet die Metaanalyse anhand der folgenden fünf Fragen und orientiert sich dabei an den Abelson-Kriterien (1995):

Wie substanziell sind die Effekte?

Die durchschnittliche Effektstärke liegt nach der üblichen Einteilung nach Cohen (1988) im mittleren Bereich (g = 0.71). Die Größe des Effekts bedeutet, dass ca. 76 % der SchülerInnen, die an Interventionen teilgenommen haben, höhere wissenschaftliche Kompetenzen aufweisen als der Durchschnitt der Kontrollgruppe. Der Effekt fällt etwas größer aus als in den Metaanalysen zum wissenschaftlichen Denken (siehe Kurzreview 16) und Forschenden Lernen (siehe Kurzreview 1 und Kurzreview 5).

Einige für die Einordnung der Befunde wesentlichen Aspekte werden in der Metaanalyse allerdings nicht beleuchtet: Informationen zu Kontrollbedingungen, zur Dauer und Intensität der Interventionen und dazu, wie die Lerneffekte im Detail gemessen wurden, fehlen. Aus bisheriger Forschung (Cheung & Slavin, 2016; Slavin & Madden, 2011) ist jedoch bekannt, dass es eine bedeutende Rolle spielen kann, ob standardisierte oder nicht standardisierte Tests verwendet werden. Deshalb ist hier beispielsweise nicht auszuschließen, dass durch den Einsatz von nichtstandardisierten Messverfahren die Interventionsgruppe begünstigt wurde und Effekte damit tendenziell überschätzt sind.

Wie differenziert sind die Ergebnisse dargestellt?

Die Differenziertheit der berichteten Effekte wird anhand der Bereiche Schulfächer, Jahrgangsstufen und des Erfolgskriteriums eingeschätzt. Die AutorInnen schlüsseln ihre Ergebnisse nach Unterrichtsfächern und Altersstufen auf. Interventionen fördern in allen Unterrichtsfächern wirksam wissenschaftliche Kompetenzen – am Wirksamsten sind sie in Biologie (g = 1.19), gefolgt von Physik (g = 0.59) und Chemie (g = 0.54). Sonstige Fächer erreichen in einer Sammelkategorie eine Effektstärke von g = 0.65. Interventionen zur Förderung wissenschaftlicher Kompetenzen sind hilfreich für SchülerInnen aller Altersstufen (g = 0.63-0.80). Als Erfolgskriterium wurden die drei beschriebenen Aspekte wissenschaftlicher Kompetenzen untersucht. Als Erfolgskriterium wurden Lernerfolge beim wissenschaftlichen Forschen, wissenschaftlichen Argumentieren und Verstehen von Wissenschaft untersucht. Andere Variablen (z. B. Interesse, Motivation) wurden nicht systematisch erfasst.

Wie verallgemeinerbar sind die Befunde?

Die AutorInnen testen verschiedene Moderatorvariablen, um zu sehen, inwiefern sie den Gesamteffekt beeinflussen. Es zeigt sich, dass der Gesamteffekt größtenteils eine gute Orientierung bietet: Für unterschiedliche Altersgruppen, die verschiedenen wissenschaftlichen Kompetenzen und für unterschiedliche Lernaktivitäten konnten keine Unterschiede nachgewiesen werden. In Bezug auf das Fach unterscheiden sich die Stärke der Effekte allerdings bedeutsam und die spezifischen Befunde für die einzelnen Moderatorstufen (z.B. Biologie) sind aussagekräftiger als der Gesamteffekt. Darüber hinaus wurden keine weiteren potenziellen Einflussfaktoren getestet.

Was macht die Metaanalyse wissenschaftlich relevant?

Die Metaanalyse ist wissenschaftlich bedeutsam. Sie repliziert die Befunde der Metaanalysen von Schwichow und Kollegen (2016) und Ross (1988) und erweitert diese um Erkenntnisse zum wissenschaftlichen Forschen, wissenschaftlichen Argumentieren und Verstehen von Wissenschaft. Darüber hinaus gibt die Metaanalyse keine Hinweise darauf, dass interaktive Zusammenarbeit mit MitschülerInnen individuellem Lernen per se überlegen ist wie von Chi und Wylie (2014) angenommen. Vielmehr scheint es auf das Wie der Gestaltung der jeweiligen Lernaktivitäten anzukommen(vgl. dazu auch Kurzreview 15).

Wie methodisch verlässlich sind die Befunde?

Die Transparenz und Begründung des methodischen Vorgehens entspricht überwiegend den Kriterien gängiger Anforderungskataloge (z.B. APA Metaanalysis Reporting Standards). Insbesondere die Suche und die Analyse erfüllen alle Ansprüche. Weitere Informationen zur Beurteilung des methodischen Vorgehens finden Sie in unserem Rating Sheet.

Fazit für die Unterrichtspraxis

Die Metaanalyse zeigt, dass Lehrkräfte große Handlungsspielräume haben, um wissenschaftliche Kompetenzen von SchülerInnen aller Altersstufen im MINT-Unterricht zu stärken. Lehrpersonen können beim wissenschaftlichen Forschen, wissenschaftlichen Argumentieren und das Verstehen von Wissenschaft ansetzen und dabei sowohl konstruktive als auch interaktive Lernformen einsetzen.

Beim wissenschaftlichen Argumentieren ist es beispielsweise hilfreich, Komplexität dadurch zu reduzieren, dass Lehrpersonen ihren SchülerInnen eine Auswahl möglicher Aussagen und dazu passender Satzbausteine und -strukturen vorgeben (vgl. Studienbeispiel). Wie wissenschaftliches Forschen erfolgreich gefördert werden kann, zeigt das Kurzreview 16: »Wie fördert man wissenschaftliches Denken im Unterricht?«.

Dafür, dass diese Befunde auch für die deutschsprachige Unterrichtspraxis relevant sind, spricht, dass die Mehrzahl der Studien im Schulkontext durchgeführt wurden und auch deutsche Primärstudien in die Untersuchung eingeflossen sind.

Studienbeispiel

In ihrer experimentellen Studie im Klassenzimmer zeigen Chen und She (2012), dass sich die SchülerInnen durch die eingesetzte Online-Lernumgebung im wissenschaftlichen Argumentieren sowohl qualitativ als auch quantitativ deutlich verbesserten. 150 AchtklässlerInnen wurden für 25 Unterrichtsstunden in zwei verschiedene Gruppen (Experimental- vs. Kontrollgruppe) unterteilt, die beide an den gleichen regulären Lehrplanthemen – beispielsweise an der Reaktion von Magnesium mit Trockeneis – im Klassenzimmer und im Labor arbeiteten.

Die 74 SchülerInnen der Experimentalgruppe arbeiteten dabei jeweils in Gruppen von sechs SchülerInnen mit einer Online-Lernumgebung, die sie in zwei Schritten zum wissenschaftlichen Argumentieren anleitete: Im ersten Schritt wurden fünf unterschiedliche Arten von Aussagen eingeführt, zwischen denen die SchülerInnen dann für ihre eigene Argumentation wählen konnten: Beschreibung, Erklärung, theoretische Herleitung, Untermauerung und Gegenbeweis. Die zweite Ebene bot für jede der Aussagearten zwei bis drei Satzbausteine, die die SchülerInnen auswählen und mit ihren eigenen Inhalten füllen konnten, etwa: „Der Grund aus dem ich glaube, dass …, ist, dass …“.

Die SchülerInnen der Experimentalgruppe lernten deutlich besser wissenschaftlich zu argumentieren. Das zeigte sich in einem standardisierten Argumentationstest und in der höheren Qualität ihrer Argumente. Hochwertige Argumente brachten sie zudem häufiger ein als die SchülerInnen der Kontrollgruppe.

Referenzen und Links

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Einleitung

Wissenschaftliches Denken ist eine Kernkompetenz für die MINT-Fächer und ein zentraler Bestandteil aktueller Bildungsstandards. Die Fähigkeit, wissenschaftlich denken zu können, unterstützt SchülerInnen dabei, ein breites Spektrum von Problemen sowohl in wissenschaftlichen als auch in alltäglichen Kontexten zu bearbeiten und zu lösen.

Ein fundamentales Anliegen wissenschaftlichen Denkens ist es, gültige Erklärungen – beispielsweise in Form von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen – für verschiedenste Phänomene zu finden sowie stichhaltig begründen und belegen zu können. Dafür müssen geeignete Bedingungen erkannt oder gezielt hergestellt werden, die möglichst eindeutige Schlussfolgerungen über Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zulassen. Das heißt, dass in einem Experiment oder einer Serie von Experimenten möglichst alle potenziellen Erklärungen nacheinander ausgeschlossen werden, bis nur noch nachweislich kausale Erklärungen für ein Phänomen in Frage kommen (siehe Beispiel). Dieses experimentelle Vorgehen ist als Strategie der Variablenkontrolle oder Variablenkontrollstrategie (VKS) bekannt.

Die Variablenkontrollstrategie spielt eine zentrale Rolle in Forschung und Wissenschaft und steht im Zusammenhang mit der stärkeren Betonung von wissenschaftlichem Denken und Arbeiten in Bildungsstandards und Lehrplänen als Unterrichtsziel im Fokus. Dabei geht es nicht nur darum, dass SchülerInnen kausale Nachweise mithilfe von Experimenten selbst erzeugen können, sondern auch darum, dass sie durch das Verständnis zugrundliegender wissenschaftlicher Strategien lernen, angebotene Erklärungen auf wissenschaftliche Weise zu hinterfragen und zu argumentieren.

Die Frage, ob und wie die Variablenkontrollstrategie effektiv gefördert werden kann, ist seit Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Studien. Die vorliegende Metaanalyse fasst diesen Forschungstand zusammen und liefert wichtige Anhaltpunkte, wie Unterricht in diesem Zusammenhang optimal gestaltet werden kann.

Die Variablenkontrollstrategie: Beispiel

Um herauszufinden, welche Rolle die Bewässerung für das Wachstum von Pflanzen spielt, werden in entsprechenden Experimenten identische Bedingungen für zwei Pflanzen geschaffen: Gleiche Pflanzen, gleiches Licht, gleiche Erde, gleicher Dünger, etc. Nur die zugegebene Wassermenge variiert. Das heißt, alle möglichen und bekannten Variablen bis auf die Wassermenge werden kontrolliert. Wächst nun die eine Pflanze mehr oder weniger als die andere, ist dies eindeutig mit der unterschiedlichen Wasserzugabe zu erklären. Dadurch lässt sich die Annahme, dass die Bewässerung einen Einfluss auf das Pflanzenwachstum hat, experimentell untermauern.

Worum geht es in dieser Studie?

Zur Förderung der Variablenkontrollstrategie erschien bereits 1988 eine erste Metaanalyse (Ross, 1988). In der Zwischenzeit ist eine Vielzahl neuer Studien erschienen, auf die Schwichow und KollegInnen nun zugreifen können. Die Menge an verfügbaren Studien und die weiterentwickelten metaanalytischen Verfahren erlauben es ihnen, detailliert zu ergründen, unter welchen Bedingungen wissenschaftliches Denken bzw. die Variablenkontrollstrategie besonders effektiv gefördert werden kann. Dazu erfassen und untersuchen sie eine Vielzahl von Einflussfaktoren, sogenannten Moderatoren: Ein erster Fragenblock beschäftigt sich mit bestimmten Eigenschaften der SchülerInnen – z.B. Alter –, ein zweiter mit Gestaltungsmerkmalen des Unterrichts (siehe Tabelle 1) und ein dritter untersucht, wie die Art der Testung das Ergebnis beeinflusst.

Für ihre Analysen können Schwichow und KollegInnen auf insgesamt 226 Effektstärken aus 72 Einzelstudien mit experimentellem oder quasi-experimentellem Design zurückgreifen. Sie wurden im Zeitraum von 1972 bis 2012 veröffentlicht. Acht der Studien wurden in Deutschland durchgeführt, der Rest überwiegend in den USA oder weiteren europäischen, asiatischen und amerikanischen Ländern. Insgesamt nahmen an den Studien 5.355 SchülerInnen teil.

Was findet diese Studie heraus?

Wissenschaftliches Denken kann durch Unterricht gefördert werden: Schwichow und KollegInnen replizieren den Befund von Ross (1988) und ermitteln einen mittleren Effekt von g = 0.61 (mittelgroßer Effekt). Aus den Moderatoranalysen zu den Gestaltungsmerkmalen des Unterrichts ergeben sich einige interessante Erkenntnisse (vgl. auch Tabelle 1):

Unterrichtsfokus. Die Analyse zeigt, dass es für den Lernerfolg keinen entscheidenden Unterschied macht, ob sich der Unterricht ausschließlich auf die Vermittlung der Variablenkontrollstrategie konzentriert oder die Lehrkraft gleichzeitig auch noch andere Ziele verfolgt, wie die Vermittlung von Faktenwissen.

Art der Vermittlung. Hier gibt es eine lange Diskussion, ob die Vermittlung eines expliziten Merksatzes zur Variablenkontrollstrategie (langfristig) zu besseren Lernerfolgen führt als wenn Schülerinnen und Schüler die VKS beim Experimentieren selber „entdecken“. So ein Merksatz könnte beispielsweise lauten: „Variiere immer nur eine Variable zu einem Zeitpunkt.“ Aus der entsprechenden Moderatoranalyse lässt sich keine klare Präferenz ableiten: Es gibt also auch gute Möglichkeiten, Variablenkontrollstrategie zu unterrichten, ohne einen expliziten Merksatz zu formulieren.

Übungsgelegenheiten. Der bisherige Stand der Forschung legt die Vermutung nahe, dass Übungsgelegenheiten, bei denen die SchülerInnen selbst aktiv experimentieren können, positive Effekte auf die Aneignung der Variablenkontrollstrategie haben. Die Moderatoranalyse jedoch zeigt, dass es keine bedeutende Rolle spielt, ob es derartige Gelegenheiten gibt. Die AutorInnen erklären diesen Befund damit, dass Variablenkontrollstrategie in erster Linie eine kognitive Strategie ist: Die Beschäftigung mit der konkreten Durchführung von Experimenten – real oder in Computersimulationen – lenkt möglicherweise eher von den wesentlichen Merkmalen der Gestaltung des Experiments und der experimentellen Strategie ab, oder erbringt zumindest keinen Mehrwert. Das könnte auch erklären, warum es keine Rolle spielt, ob SchülerInnen Feedback (schriftlich oder mündlich) auf die Durchführung ihrer Experimente bekommen.*

Tabelle 1. Untersuchte Gestaltungsmerkmale des Unterrichts.

Demonstrationen. Demonstrationen von korrekt durchgeführten Experimenten bieten hingegen den Vorteil, dass SchülerInnen sich – im Gegensatz zum eigenständigen Durchführen von Experimenten, bei denen sie sich um viele technische und handwerkliche Aspekte kümmern müssen – komplett auf das Verständnis der zentralen (Design-)Merkmale des Experiments und der experimentellen Strategie konzentrieren können. Die Moderatoranalyse zeigt, dass dieses Element tatsächlich einen entscheidenden Unterschied macht.

Kognitiver Konflikt. Insbesondere in Kombination mit Demonstrationen wirkt sich das Erzeugen von kognitiven Konflikten positiv auf den Lernerfolg aus. Ein kognitiver Konflikt findet dann statt, wenn das Ergebnis eines Experiments nicht mit den Erwartungen der SchülerInnen übereinstimmt. Er lässt sich zum Beispiel dadurch erzeugen, dass Forschende demonstriert werden, die sich nicht an die Variablenkontrollstrategie halten und in ihren Experimenten uneindeutige und/oder erwartungswidrige Ergebnisse erhalten. Entsprechend umgesetzt können kognitive Konflikte die Effektivität des Lernens steigern: Der kognitive Konflikt muss dabei von der Lehrkraft verdeutlicht werden, indem sie die Erwartungen der SchülerInnen vor der Demonstration zunächst abfragt. Wenn die SchülerInnen anschließend angeleitet werden, sich mit Erklärungen für das unerwartete Ergebnis und den eigenen – unter Umständen fehlerhaften – Überzeugungen auseinanderzusetzen, wird dadurch ein weitergehendes Verständnis von Zusammenhängen möglich. (Siehe auch Studienbeispiel & Fazit für die Unterrichtspraxis.)

Unterrichtskontext. Eine bislang nicht explizit überprüfte Annahme ist, dass SchülerInnen sich für außerschulische Kontexte stärker begeistern können und die Variablenkontrollstrategie in solchen Kontexten entsprechend besser lernen. Die Analyse zum Unterrichtskontext konnte diese Vermutung jedoch nicht bestätigen: SchülerInnen lernen die Variablenkontrollstrategie in schulischen wie auch außerschulischen Kontexten ähnlich erfolgreich.

* Ergänzender Befund: In einer experimentellen Studie untersuchten die AutorInnen die Wirkung von aktiv durchgeführten Experimenten beim Erlernen der VKS im Vergleich zu Arbeitsblättern. Die Ergebnisse zeigen, dass sich aktiv durchgeführte Experimente positiv auf die Durchführung von realen Experimenten auswirken während sich Arbeitsblätter positiv auf das Bewerten schriftlich dargestellter Experimente auswirken. Dieser Effekt trat nur auf, wenn die Inhalte der Übungs- und Testmaterialen gleich waren. Bei Transferaufgaben mit anderen Inhalten unterschieden sich die SchülerInnen beider Gruppen nicht (Schwichow et al., 2016).

Wie bewertet das Clearing House Unterricht diese Studie?

Die Clearing House Unterricht Research Group bewertet die Metaanalyse anhand der folgenden fünf Fragen und orientiert sich dabei an den Abelson-Kriterien (1995):

Wie substanziell sind die Effekte?

Die durchschnittliche Effektstärke liegt nach der üblichen Einteilung nach Cohen (1988) im mittleren Bereich (g = 0.61). Dieser Effekt zeigt sich als sehr stabil gegenüber Variablen, die in anderen Metaanalysen häufig einflussreich sind (z.B. Alter oder methodische Faktoren) und wurde auf der Basis valider Primärstudiendesigns gewonnen. Teilweise wurden die SchülerInnen in den Kontrollgruppen zum selben Thema, aber ohne Fokus auf die Variablenkontrollstrategie unterrichtet. Damit handelt es sich um äußerst faire und strenge Vergleichsbedingungen. Es zeigt sich ferner, dass durch den Einsatz von kognitivem Konflikt der Effekt sogar zu einem großen Effekt (g = 0.80;) ausgebaut werden kann. Dieser große Effekt bedeutet, dass knapp 80 % der SchülerInnen in der Experimentalgruppe höhere Leistungen beim wissenschaftlichen Denken aufweisen als der Durchschnitt der Kontrollgruppe.

Wie differenziert sind die Ergebnisse dargestellt?

Die Differenziertheit der berichteten Effekte wird anhand der Bereiche Schulfächer, Jahrgangsstufen und des Erfolgskriteriums eingeschätzt. Spezifische Schulfächer wurden in dieser Metaanalyse nicht untersucht, da wissenschaftliches Denken über die Fächergrenzen hinweg betrachtet wird. Die Ergebnisse werden für verschiedene Altersgruppen differenziert berichtet; allerdings zeigen sich hier keine Unterschiede. Als Erfolgskriterium wurden ausschließlich Leistungen beim wissenschaftlichen Denken mit Fokus auf die Variablenkontrolle untersucht. 

Wie verallgemeinerbar sind die Befunde?

In der Metaanalyse wurden zahlreiche Moderatoren überprüft; bei vielen zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den untersuchten (Unterrichts-) Varianten. Insofern ist der berichtete durchschnittliche Effekt des Unterrichtens der Variablenkontrollstrategie für einige Moderatoren verallgemeinerbar. Dazu gehören das Alter der SchülerInnen, die Durchführung der Studie im Schulunterricht (vs. im Labor), die Art der Publikation sowie eine Vielzahl von Parametern der Testung (z.B. Anzahl der veränderbaren Variablen, Hervorhebung der einflussreichsten Variablen, Urheber der Tests, Zeitspanne zwischen Unterricht und Testung).

Erwähnenswert ist darüber hinaus, dass es keine Rolle zu spielen scheint, ob die Leistungstests mit anderen Inhalten durchgeführt werden als im Unterricht. Wenn SchülerInnen die Variablenkontrollstrategie in einer spezifischen Unterrichtssituation erlernen, können sie ihr Wissen auch auf vergleichbare Experimente mit anderen Inhalten übertragen.

Das Testformat, also die technische Umsetzung der Testung, erweist sich als signifikante Einflussgröße. Die Gültigkeit des Gesamteffekts ist in dieser Hinsicht nicht uneingeschränkt verallgemeinerbar.

Was macht die Metaanalyse wissenschaftlich relevant?

Die Metaanalyse ist aus zwei Gründen als sehr bedeutsam einzustufen: Erstens repliziert und erweitert sie den bisherigen Stand der Forschung und trägt damit zur Aktualisierung der Befundlage bei. Zweitens erreicht sie durch die Fokussierung auf die Variablenkontrollstrategie eine eindrucksvolle Spezifität und Konkretheit. Die Art und Weise, wie die detaillierten Moderatoranalysen zur Aufklärung der aufgefundenen Unterschiede in den berichteten Effekten durchgeführt werden, hat exemplarischen Charakter. Durch die theoretisch sowie empirisch gut begründete Wahl der Moderatoren trägt die Metaanalyse substanziell dazu bei, die Theorie zur Instruktion der Variablenkontrollstrategie weiterzuentwickeln.

Wie methodisch verlässlich sind die Befunde?

Die Transparenz und Begründung des methodischen Vorgehens entspricht vorbildlich den Kriterien gängiger Anforderungskataloge (z.B. APA Metaanalysis Reporting Standards). Die Schritte bei der Suche, Auswahl und Analyse erfüllen alle Ansprüche. Weitere Informationen zur Beurteilung des methodischen Vorgehens finden Sie in unserem Rating Sheet.

Fazit für die Unterrichtspraxis

Die Befunde von Schwichow und KollegInnen haben eine hohe Relevanz für den Unterrichtsalltag: In allen eingehenden Befunden wurden schulrelevante Inhalte vermittelt, alle beschriebenen Maßnahmen für eine höhere Effektivität des Unterrichts sind ohne großen Aufwand umsetzbar. Die Metaanalyse beinhaltet auch einige Studien mit zahlreichen Effektstärken aus Deutschland. Insgesamt erweisen sich die berichteten Effekte als sehr stabil. Die Fokussierung der Metaanalyse auf die Variablenkontrollstrategie ermöglicht das Herausarbeiten von Details. Auf dieser Grundlage können konkrete Hinweise für mögliche Entscheidungsoptionen bei der Planung und Gestaltung von Unterricht abgeleitet werden.

An erster Stelle zeigt die Metaanalyse, dass viele hypothetisch einflussreiche Parameter beim Unterrichten der Variablenkontrollstrategie keine so bedeutsame Rolle spielen wie angenommen. Die AutorInnen identifizieren jedoch zwei entscheidende Stellschrauben für das effektive Unterrichten von wissenschaftlichem Denken:

• Demonstrationen sollten unbedingt zum Unterrichtsstandard gehören.
• Kognitive Konflikte können die Effektivität des Unterrichts deutlich steigern.

Insbesondere in der Kombination dieser beiden Maßnahmen sehen die AutorInnen ein großes Potenzial – z.B. indem SchülerInnen dazu angeleitet werden, sich mit den in der Demonstration fehlerhaft gestalteten Experimenten auseinanderzusetzen. Wenn SchülerInnen sich auf die Anlage von Experimenten und damit auf die experimentelle Strategie konzentrieren können, ohne von technischen Details der Durchführung abgelenkt zu werden, scheint darin ein Schlüssel zur effektiven Aneignung der Variablenkontrollstrategie und damit einer Kernkomponente des wissenschaftlichen Denkens zu liegen.

Studienbeispiel

In ihrer experimentellen Feldstudie ermitteln Strand-Cary und Klahr (2008) einen besonders großen Effekt von Demonstrationen in Kombination mit dabei erzeugten kognitiven Konflikten auf das Wissenschaftliche Denken. Die 72 neun- bis zwölfjährigen SchülerInnen experimentierten in zwei verschiedenen Gruppen (Experimental- vs. Kontrollgruppe) mit jeweils zwei Holzrampen und Bällen. Dabei sollten sie herausfinden, ob eine bestimmte Eigenschaft der Rampe (Variablen: Steilheit, Länge, Oberfläche der Rampe) beeinflusst, wie weit der Ball rollt – also ob es einen kausalen Zusammenhang gibt.

In der Kontrollgruppe konnten die SchülerInnen selbstständig Experimente mit den Rampen durchführen. In der Experimentalgruppe wurden die SchülerInnen explizit angeleitet, mit der Variablenkontrollstrategie zu arbeiten: Sie führten zunächst ein eigenes Experiment durch, dann wurde ihnen eine Im Sinne der Variablenkontrollstrategie fehlerhafte und eine korrekte Version des Experiments vorgeführt (Demonstration), wobei die SchülerInnen klären sollten, warum im fehlerhaften Experiment ihre Erwartungen nicht erfüllt wurden (kognitiver Konflikt). In der Experimentalgruppe lernten wesentlich mehr SchülerInnen die Variablenkontrollstrategie zu beherrschen als in der Kontrollgruppe (Unterschied d = 2.0).

Referenzen und Links

Podcast

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Einleitung

Aktuelle nationale wie internationale Reformen von Bildungsstandards für den naturwissenschaftlichen Unterricht haben eine gemeinsame Stoßrichtung: SchülerInnen sollen ein Verständnis von Konzepten und Zusammenhängen entwickeln sowie wissenschaftliche Kompetenzen erwerben, anstatt in erster Linie Fakten zu lernen. Verlage und staatliche Institutionen stellen eine Fülle von Angeboten zur Verfügung, mit denen die geforderte Umstrukturierung und Weiterentwicklung des naturwissenschaftlichen Unterrichts erleichtert werden soll. In den USA sind deshalb zahlreiche sogenannte Science Programs entstanden. Sie werden als Komplett-Pakete angeboten und umfassen an die aktuellen Bildungsstandards angepasstes, vollständig ausgearbeitetes Lern- bzw. Unterrichtsmaterial sowie mehr oder weniger umfangreiche begleitende Schulungen für die Lehrkräfte.

Die AutorInnen der vorliegenden Metaanalyse untersuchen, inwiefern und bei welchen Science Programs es sich im Hinblick auf den Lernerfolg von SchülerInnen auszahlt, diese Programme gegenüber regulärem Unterricht in den Schulalltag einzuführen. Damit erweitert die Metaanalyse den Wissensstand zur Effektivität innovativer Unterrichtsansätze (vgl. Kurzreview 12) in zwei Hinsichten:

1) Sie prüft die Effektivität ausgearbeiteter Science Programs im mehrwöchigen Einsatz unter Realbedingungen im Schulalltag und

2) sie berücksichtigt exklusiv SchülerInnen aus der Mittel- und Oberstufe. Zudem liefert sie Anhaltspunkte, welche Typen von Programmen Schülerleistungen besonders effektiv steigern.

Entsprechend kann sie eine Orientierung geben, wie aktuelle Bildungsstandards effektiv umgesetzt werden können.

Worum geht es in dieser Studie?

Die AutorInnen der Metaanalyse tragen ausgearbeitete Science Programs für den Sekundarbereich zusammen. Sie analysieren deren Effektivität im Hinblick auf den Lernerfolg bei konzeptuellem Verständnis und wissenschaftlichen Kompetenzen der SchülerInnen. Inhaltlich berücksichtigen die AutorInnen nur Programme, die Lern- bzw. Unterrichtsmaterial, hier kategorisiert als Digitale Lehrmaterialien, Experimentiersets oder Innovative Schulbücher, mit einer begleitenden und teilweise recht umfangreichen Fortbildung für die Lehrkräfte, hier kategorisiert als Lehrstrategientraining, kombinieren.

Alle Programme haben den Anspruch, prinzipiell in jeder Schule umsetzbar zu sein. Zudem musste in den berücksichtigten Primärstudien die Wirksamkeit der Programme im Vergleich zu regulärem Unterricht im Schulalltag der Sekundarstufe über einen Zeitraum von mindestens zwölf Wochen untersucht werden. Nur Studien, die hohe wissenschaftliche Ansprüchen erfüllen – z.B. randomisierte, quasi-experimentelle Designs oder Kontrolle von Vorwissensunterschieden – kamen für die Metaanalyse infrage. Insgesamt 21 solcher Programme konnten die AutorInnen identifizieren. An den Studien nahmen über 33.000 SchülerInnen teil. Zwei der Studien wurden vor dem Jahr 2000, acht zwischen 2000 und 2009 und elf zwischen 2010 und 2015 publiziert.

In einem ersten Systematisierungsschritt kategorisieren die AutorInnen die 21 Programme auf Grundlage der zentralen Lernaktivitäten. In Tabelle 1 werden die vier verschiedenen Programmtypen mit ihren Charakteristika vorgestellt. Bei der statistischen Berechnung der Wirksamkeit der Programme (Effektstärke ES) beziehen die AutorInnen auftretende Unterschiede im Vorwissen der teilnehmenden SchülerInnen ein und berücksichtigen den Einfluss methodischer Faktoren auf die Effekte. Damit liegt der Metaanalyse ein bemerkenswert strenges Berechnungsverfahren zugrunde.

Tabelle 1. Typen von MINT-Programmen mit Beschreibung und Anzahl der Studien.

Was findet diese Studie heraus?

Insgesamt zeigt sich über alle Programme hinweg ein kleiner positiver Effekt der Science Programs gegenüber regulärem Unterricht (ES = 0.17). Die verschiedenen Programmtypen unterscheiden sich deutlich und signifikant voneinander. Gleichzeitig sind die Effekte der Studien innerhalb eines bestimmten Programmtyps sehr unterschiedlich. Tabelle 2 zeigt sowohl die Mittelwerte als auch die Minimal und Maximal-Werte einzelner Programme innerhalb einer Kategorie. Auf dieser Grundlage ist davon auszugehen, dass sich die einzelnen Programme in mehr Merkmalen unterscheiden als durch die Kategorisierung repräsentiert werden kann.

Tabelle 2. Effekte der Typen von Programmen mit Mittelwert, Minimum und Maximum.

Die größten durchschnittlichen Effekte zeigen Programme mit Digitalen Lehrmaterialien (ES = 0.47) gefolgt von Lehrstrategientrainings (ES = 0.17). Digitale Lehrmaterialien werden im Rahmen der Programme in erster Linie ergänzend als Tools zu Demonstrationen oder Simulationen von naturwissenschaftlichen Konzepten eingesetzt. Die Lehrstrategientrainings konzentrieren sich auf spezifische Lehrstrategien zur Unterstützung und Begleitung schülerzentrierter Unterrichtsformate. Beide Programmtypen fokussieren – aus Sicht der AutorInnen – auf die Unterstützung der SchülerInnen, während diese eigene Erfahrungen beim Entdecken und Forschen sammeln.

Keinen nennenswerten Effekt zeigen dagegen Programme mit Experimentiersets (ES = 0.05) und Innovativen Schulbüchern (ES = 0.10). Die AutorInnen folgern aus diesem Befund, dass Programme, die in erster Linie auf die Bereitstellung von neuen Materialien setzen und diese in den Fortbildungen lediglich erklären und vorstellen, keine substanziellen Effekte erreichen. Nur diejenigen Programme, die zusätzlich das professionelle Training der Lehrkräfte zu Lehrstrategien und Unterrichtsgestaltung berücksichtigen, erreichen positive Ergebnisse.

Wie bewertet das Clearing House Unterricht diese Studie?

Die Clearing House Unterricht Research Group bewertet die Metaanalyse anhand der folgenden fünf Fragen und orientiert sich dabei an den Abelson-Kriterien (1995):

Wie substanziell sind die Effekte?

Die gemittelte Effektstärke aller Programme liegt nach der üblichen Einteilung nach Cohen (1988) im kleinen Bereich (Gesamteffekt: ES = 0.17). Dieser kleine Gesamteffekt ist dennoch beachtlich, wenn man das strenge methodische Vorgehen sowohl in Bezug auf die Auswahl der Studien als auch bei der Berechnung der Effektstärken berücksichtigt. In einer methodisch vergleichbaren Metaanalyse zu den Effekten digitaler Anwendungen im Mathematikunterricht zeigt sich ein ähnlicher Effekt (siehe Kurzreview 7).

Dies spricht für die Belastbarkeit der vorliegenden Befunde. Für einzelne Programmtypen ergeben sich auch größere Effekte: Der Effekt (ES = 0.47) von Digitalen Lehrmaterialien bedeutet beispielsweise, dass 68 % der SchülerInnen, die an einem entsprechenden Programm teilnahmen, bessere Leistungen erzielten als der Durchschnitt der SchülerInnen im regulären Unterricht.

Wie differenziert sind die Ergebnisse dargestellt?

Die Differenziertheit der berichteten Effekte wird anhand der Bereiche Schulfächer, Jahrgangsstufen und des Erfolgskriteriums eingeschätzt. In der vorliegenden Metaanalyse sind die Ergebnisse nach Jahrgangsstufen (6.-8. Klasse und 9.-12. Klasse) differenziert dargestellt. Entsprechend lassen sich für diese beiden Altersgruppen spezifische Aussagen treffen. Für einzelne Schulfächer und nicht leistungsbezogene Lernerfolgsmaße – wie Motivation – werden keine gesonderten Effektstärken berichtet. (siehe dazu Kurzreview 12).

Wie verallgemeinerbar sind die Befunde?

In der vorliegenden Metaanalyse wurden zahlreiche Moderationsanalysen durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass die Befunde der Metaanalyse in sich nicht homogen sind. Das bedeutet, dass der Gesamteffekt nicht verallgemeinerbar ist, da er durch den Programmtyp beeinflusst wird. Um Aussagen über einen bestimmten Programmtyp zu treffen, ist es zuverlässiger, die spezifische Effektstärke des Programmtyps heranzuziehen.

In Bezug auf die beiden unterschiedenen Altersgruppen (6.-8. Klasse und 9.-12. Klasse) zeigen sich keine signifikanten Unterschiede; die Ergebnisse sind demnach über beide Altersgruppen hinweg generalisierbar und bestätigen das sehr ähnliche Befundmuster für den Bereich der Grundschulen (Slavin et al. 2014). Einzelne Schulfächer, verschiedene Schulsysteme oder Länder – in der vorliegenden Metaanalyse stammen alle Primärstudien aus den USA – wurden nicht statistisch untersucht; entsprechend kann zur Verallgemeinerarbeit in dieser Hinsicht keine Aussage getroffen werden.

In methodischer Hinsicht bestätigen sich drei Einflussfaktoren, die auch aus anderen Studien bekannt sind: Art der Testung: Studien mit standardisierten Tests weisen geringere Effekte auf als Studien mit eigens dafür erstellten Tests; Art der Publikation: Publizierte Studien enthalten größere Effekte als nicht publizierte Studien; Art des Studiendesigns: Studien mit quasi-experimentellem Design weisen größere Effekte auf als Studien mit randomisiertem Untersuchungsdesign.

Was macht die Metaanalyse wissenschaftlich relevant?

Die Metaanalyse ist für die Wissenschaft als bedeutsam zu werten. Sie untersucht erstmalig für den Bereich der Sekundarstufe, wie sich Science Programs auf Leistungen in MINT-Fächern auswirken. Damit erweitert sie die Ergebnisse früherer Befunde aus dem Primarschulbereich.

Wie methodisch verlässlich sind die Befunde?

Die Transparenz und Begründung des methodischen Vorgehens entspricht weitgehend den Kriterien gängiger Anforderungskataloge (z.B. APA Metaanalysis Reporting Standards). Die teilweise eingeschränkte Transparenz ist der verkürzten Darstellung in der Metaanalyse geschuldet. Vertreter der Autorengruppe haben an diversen anderen Stellen (u.a. Slavin et al. 2014) jedoch bereits umfangreich ihr methodisches Vorgehen dokumentiert und damit international anerkannte Standards für metaanalytische Synthesen im Bildungsbereich geschaffen. Auf diese Arbeiten wird in der vorliegenden Studie lediglich verwiesen. Daraus erklärt sich das mittelmäßige Abschneiden im Qualitätsrating des Clearing House Unterricht (siehe Rating Sheet).

Fazit für die Unterrichtspraxis

Die Metaanalyse beruht ausschließlich auf Befunden zur Lernwirksamkeit von Science Programs, die über längere Zeiträume im Schulunterricht umgesetzt wurden und die prinzipiell an jeder Schule eingesetzt werden können. Daher haben die Ergebnisse grundsätzlich eine hohe Relevanz für die Weiterentwicklung von naturwissenschaftlichem Unterricht. Allerdings wurden alle berücksichtigten Programme in den USA entwickelt und getestet. Die Befunde haben für den deutschen Kontext in erster Linie Hinweischarakter, da mit der vorliegenden Metaanalyse nicht geklärt wurde, inwiefern die Lernwirksamkeit der Programme auch außerhalb der USA abgesichert ist.

Nimmt man – trotz dieser Einschränkung – die Hinweise aus dieser Metaanalyse ernst, so ist festzustellen, dass sich der Aufwand, der mit der Implementation dieser umfassenden Programme im Unterricht verbunden ist, positiv auf die Schülerleistungen auswirkt. Als besonders effektiv haben sich Programme erwiesen, in denen Lehrkräfte geschult werden, digitale Lehrmaterialien als zusätzliche Erklärungen, Veranschaulichungen und Illustrationen zum tiefergehenden Verständnis von naturwissenschaftlichen Konzepten in ihrem Unterricht einzusetzen. Außerdem scheinen sich solche Programme zu lohnen, bei denen die Lehrkräfte den Einsatz von bestimmten Lehrstrategien ausgiebig trainieren, um sie dann über unterschiedliche Themen hinweg zur Unterstützung ihrer SchülerInnen in schülerzentrierten bzw. offenen Lernsettings einsetzen zu können (siehe Studienbeispiel).

Studienbeispiel

Harris und Kollegen (2015) untersuchen in ihrer Studie einen umfassenden Modellversuch zum „project-based-inquiry science“ (PBIS) Curriculum. Dieser wurde über ein komplettes Schuljahr durchgeführt. Alle 57 beteiligten MINT-Lehrkräfte der sechsten Klassen von 42 Schulen erhielten zu Beginn des Schuljahres eine zweitägige Schulung zu den Kernprinzipien des neuen Lehrplans. Daraufhin wurde in der Kontrollgruppe mit den üblichen Schulbüchern regulär unterrichtet und die Lehrkräfte erhielten keine weitere Fortbildung.

Die Lehrkräfte in der Experimentalgruppe dagegen konnten auf die speziell nach dem neuen Lehrplan entwickelten Lern-/Unterrichtsmaterialien zurückgreifen. Zudem erhielten sie zu Beginn des Schuljahres eine grundlegende dreitägige Fortbildung zum Umgang mit den Lern-/Unterrichtsmaterialien, die auf das aktive Experimentieren von SchülerInnen und das Sammeln von Erfahrungen ausgerichtet waren. Auch in der Begleitung und Moderation von schülerzentriertem Unterricht wurden sie geschult. Im Verlauf des Schuljahres folgten zwei weitere eintägige Schulungen zu zwei Modulen mit spezifischen Unterrichtsinhalten.

Am Ende des Schuljahres absolvierten alle SchülerInnen den selben standardisierten Test. Das PBIS erbrachte einen positiven Effekt von 0.24. Insbesondere benachteiligte SchülerInnengruppen profitierten stark von PBIS.

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Einleitung

Dass Forschendes Lernen im Vergleich zu traditionellem MINT-Unterricht effektiver sein kann, hat die Unterrichtsforschung in den vergangenen Jahren wiederholt empirisch bekräftigt (siehe auch Kurzreview 1).

Die Wirksamkeit der Lehrmethode wird vor allem damit begründet, dass die aktive Beteiligung der Lernenden für den Lernerfolg ausschlaggebend ist. Selbst wie Forschende zu agieren – das heißt, Hypothesen aufzustellen, Experimente bzw. Recherchen durchzuführen, Ergebnisse zu interpretieren und zu diskutieren – ermöglicht SchülerInnen nicht nur, Wissen über Inhalte zu erlangen, sondern vor allem auch zu lernen und zu verstehen, wie wissenschaftliche Erkenntnisgewinnung funktioniert.

Allerdings wurde häufig am Forschenden Lernen kritisiert, dass die SchülerInnen mit der Anwendung dieser Methode fast notwendigerweise überfordert seien, da der Ansatz die kognitive Verarbeitungskapazität der Lernenden überschreite. Seit einigen Jahren verlagert sich daher die wissenschaftliche Debatte weg von der Frage „Forschendes Lernen oder traditioneller Unterricht?“ hin zu der Frage: „Unter welchen Umständen und Bedingungen können die Potenziale dieses Ansatzes optimal genutzt werden?“.

Die hier vorgestellte Metaanalyse fasst die bislang vorhandenen Primärstudien zu dieser Fragestellung zusammen und untersucht, mit welchen Maßnahmen Lehrkräfte die Lernprozesse besonders effektiv unterstützen können.

Worum geht es in dieser Studie?

Um zu ermitteln, wie effektiv zusätzliche Unterstützungsformate beim Forschenden Lernen sind, analysieren die AutorInnen der Metaanalyse sechs verschiedene Typen von Unterstützungsansätzen und deren Wirkung auf verschiedene Lernziele: Unterschieden wird die die Wirkung der Unterstützungsmaßnahmen auf die Kategorien

(1) Lernaktivitäten,
(2) Durchführungserfolg und
(3) Lernerfolg.

Damit erfassen die AutorInnen nicht nur das Endergebnis (Lernerfolg) sondern auch den Lernprozess selbst (Lernaktivitäten und Durchführungserfolg) und können so umfassend einschätzen, wie sich die Unterstützungsmaßnahmen jeweils auswirken.

Um als Studie in die Metaanalyse aufgenommen zu werden, mussten Messwerte zu mindestens einem der drei relevanten Lernziele vorliegen. In 20 Studien lagen Werte zu Lernaktivitäten vor. Hier wurden die Quantität und die Qualität der Aktivitäten (etwa wie gut und ausführlich ein Experiment geplant wurde) während des Lernens erfasst. 17 Studien ermittelten Werte zum Durchführungserfolg. Hier wurden absolvierte Zwischenschritte und dabei entstandene Produkte (zum Beispiel schriftliche Aufgabenbearbeitungen) analysiert. 60 Studien untersuchten den Lernerfolg von SchülerInnen. Hier wurde der Lernfortschritt bei der abschließenden Lernzielkontrolle erfasst. Zusätzlich differenzieren die AutorInnen sechs verschieden Typen von Unterstützungsansätzen.

Tabelle 1 bietet eine Übersicht über alle einbezogenen Ansätze, sortiert nach zunehmendem Spezifierungsgrad. Zusätzlich wollen die AutorInnen der Metaanalyse herausfinden, inwiefern Faktoren wie das Alter der SchülerInnen, die Dauer der Unterrichtseinheit oder methodische Faktoren (Studiendesign, Publikationsqualität oder Art der Erfassung der Lernziele) Unterschiede in den Effektstärken der verschiedenen Studien erklären können.

Tabelle 1. Untersuchte Typen von Unterstützungsansätzen und Erklärungen.

In diese Metaanalyse gehen die Befunde aus 72 Primärstudien ein, die im Zeitraum zwischen 1993 und 2013 veröffentlicht wurden. Alle Primärstudien vergleichen SchülerInnen beim Forschenden Lernen, die ein spezifisches Unterstützungsangebot erhalten, mit SchülerInnen, die dieses Angebot nicht erhalten. Auf diese Weise lässt sich die Effektivität des jeweiligen Angebots bestimmen. Die Vergleiche wurden mithilfe experimenteller und quasi-experimenteller Studiendesigns angestellt. An den Studien nahmen SchülerInnen aus Grund- und weiterführenden Schulen in den MINT-Fächern teil (Alter: fünf bis 22 Jahre).

Was findet diese Studie heraus?

Tabelle 2 zeigt eine Übersicht über die Effektstärken der einzelnen Unterstützungsansätze, sortiert nach Lernzielkategorien. Die Metaanalyse kommt zu dem Ergebnis, dass SchülerInnen bessere Ergebnisse in den Lernaktivitäten zeigen, wenn sie dabei von der Lehrperson unterstützt werden (d = 0.66). Zwar unterscheiden sich die Befunde dahingehend, welche Art der Unterstützung (z.B. Einschränkungen (d = 0.90), Scaffolds (d = 0.77) oder Erklärungen (d = 0.70)) untersucht wird. Jedoch sind diese Unterschiede nicht signifikant.

Für den Durchführungserfolg zeigt sich ebenfalls ein positiver Effekt (d = 0.71). Insbesondere zusätzliche Erklärungen (d = 1.45) und Heuristiken (d = 1.17) haben hier eine deutliche und signifikant bessere Wirkung auf SchülerInnen als die anderen Unterstützungsansätze. Jedoch wurden diese beiden Ansätze jeweils nur in einer Studie untersucht; die Effekte sind deshalb nicht ausreichend gesichert.

Zuletzt ergibt sich für den Lernerfolg insgesamt ein positiver Effekt für Unterstützungsansätze (d = 0.50). Wie bei den Lernaktivitäten unterscheiden sich zwar die Effektstärken je nach Ansatz (z.B. Erklärungen (d = 0.61), Hinweise (d = 0.55) oder Einschränkungen (d = 0.52)), allerdings sind diese Unterschiede wie auch bei den Lernaktivitäten nicht signifikant. Ein nicht signifikantes Ergebnis bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nicht sicher genug ausgeschlossen werden kann, dass die Unterschiede in den Effektstärken durch zufällige Faktoren entstanden sind (Irrtumswahrscheinlicheit 95 %).

Tabelle 2. Unterstützungsansätze mit den größten Effekten auf die verschiedenen Lernerfolgsmaße.

Bei der genaueren Analyse der Lernzielkategorie Lernerfolg zeigt sich zudem, dass Lernzielkontrollen, die sich mehr auf Forschungsfertigkeiten fokussieren, größere Effekte erzielen (d = 0.78), als Kontrollen, in denen rein inhaltliches Fachwissen abgefragt wird (d = 0.37, nicht in der Tabelle dargestellt). Zusätzliche Moderatoranalysen der Metaanalyse machen deutlich, dass die Wirkung der Unterstützungsmaßnahmen auf die unterschiedlichen Lernziele unabhängig ist von der Dauer der Unterrichtseinheit, dem Alter der SchülerInnen und weitgehend auch von methodischen Faktoren (z.B. dem Studiendesign).

Wie bewertet das Clearing House Unterricht diese Studie?

Die Clearing House Unterricht Research Group bewertet die Metaanalyse anhand der folgenden fünf Fragen und orientiert sich dabei an den Abelson-Kriterien (1995):

Wie substanziell sind die Effekte?

Der Einteilung nach Cohen (1988) folgend, liegen die Effekte in dieser Metaanalyse vorwiegend im mittleren Bereich. Damit schneiden SchülerInnen in den drei Bereichen (Lernaktivitäten, Durchführungserfolg, Lernerfolg) substanziell besser ab als in der Vergleichsbedingung.

Diese mittleren Effektstärken sind insbesondere deshalb bemerkenswert, da als Vergleichsbedingung (Kontrollgruppe) andere Unterrichtsformen herangezogen wurden und nicht etwa keine Aktivität oder unangeleitete Stillarbeit. Eine mittlere Effektstärke von d = 0.50 (Lernerfolg) bedeutet beispielsweise, dass rund zwei Drittel der SchülerInnen im Rahmen des Forschenden Lernens einen größeren Lernerfolg erzielen als der Durchschnitt der VergleichsschülerInnen.

Gerade hinsichtlich des Lernerfolgs können insbesondere die Forschungsfertigkeiten (inquiry skills) der SchülerInnen durch Untersützungsangebote signifikant besser gefördert werden (d = 0.78) als naturwissenschaflich-mathematisches Fachwissen (d = 0.37).

Wie differenziert sind die Ergebnisse dargestellt?

Die Differenziertheit der berichteten Effekte wird von der Clearing House Research Group anhand der Schulfächer, Jahrgangsstufen und des Erfolgskriteriums eingeschätzt. In der Metaanalyse sind die Ergebnisse hinsichtlich des Erfolgskriteriums ausführlich dargestellt: Für Lernaktivitäten, Durchführungserfolg und Lernerfolg werden jeweils gesonderte Effektstärken angegeben. Zusätzlich werden – abhängig von der Verfügbarkeit von Primärstudien – Effekte für Schulfächer (Mathematik vs. Naturwissenschaften), Art des Lernerfolgs (Fähigkeiten im Forschenden Lernen vs. Fachwissen) oder Dauer (eine vs. mehrere Lerneinheiten) differenziert berichtet.

Die geplante Differenzierung nach Jahrgangsstufen konnte nur indirekt realisiert werden, da insgesamt zu wenige Primärstudien vorhanden waren. Durch den feinen Auflösungsgrad der Lernziele und der zusätzlichen Unterstützungsansätze lässt die Metaanalyse konkrete Schlussfolgerungen darüber zu, welche Maßnahme beim Forschenden Lernen für welches Lernziel unter welchen Bedingungen besonders geeignet ist.

Wie verallgemeinerbar sind die Befunde?

Die Metaanalyse testet mithilfe von Moderatoranalysen gesondert für alle drei Lernziele, inwiefern die Befunde verallgemeinerbar sind. Dabei untersuchen die AutorInnen, inwiefern die verschiedenen Unterstützungsansätze, die jeweilige Dauer des Einsatzes, das Alter der SchülerInnen oder methodische Merkmale der Studien sich signifikant auf die Größe des Effekts auswirken. Dass manche Unterstützungsansätze effektiver sind als andere, dafür enthalten die Befunde vereinzelt Hinweise, die Unterschiede sind jedoch in den meisten Fällen nicht signifikant oder beruhen auf nur wenigen Studien. Auch für die Altersgruppen oder methodischen Merkmale der Studien ergeben sich keine konsistenten Einschränkungen für die Verallgemeinerbarkeit. Hervorzuheben ist, dass die Effekte über alle Kategorien hinweg ausschließlich positiv ausfallen.

Die Überlegenheit des unterstützten Forschenden Lernens ist damit auf der Basis der einbezogenen Primärstudien für alle diese Dimensionen ein deutlicher Trend und weitgehend verallgemeinerbar.

Was macht die Metaanalyse wissenschaftlich relevant?

Der besondere Beitrag dieser Metaanalyse liegt in der differenzierten Betrachtung verschiedener Unterstützungsansätze und deren Effekte auf unterschiedliche Lernziele (Lernaktivitäten, Durchführungserfolg und Lernerfolg). Dadurch wird deutlich, unter welchen Bedingungen die Wirksamkeit von Forschendem Lernen als Unterrichtsansatz besonders zum Tragen kommt. Gleichzeitig wirft das Vorgehen, einzelne Ansätze isoliert zu betrachten, die Frage auf, wie sich die Ansätze auswirken, wenn sie miteinander kombiniert werden. Die AutorInnen weisen darauf hin, dass die Kombination von mehreren Ansätzen bisher kaum untersucht wurde, jedoch für die zukünftige Forschung von besonderer Bedeutung ist.

Wie methodisch verlässlich sind die Befunde?

Die Clearing House Research Group beurteilt die methodische Verlässlichkeit auf Grundlage eines Ratingsystems (basierend auf u.a. APA Meta-Analysis Reporting Standards). Transparenz und Begründung des methodischen Vorgehens entsprechen größtenteils den Kriterien der Anforderungskataloge: Das Vorgehen bei der Recherche nach relevanten Studien, der Studienauswahl, der Kodierung sowie der statistischen Analyse ist weitgehend offengelegt und gut nachvollziehbar beschrieben. Weitere Informationen zur Beurteilung des methodischen Vorgehens finden Sie in unserem Rating Sheet.

Fazit für die Unterrichtspraxis

Alle in der Metaanalyse berücksichtigten Studien wurden mit SchülerInnen im Unterricht oder in unterrichtsnahen Bedingungen durchgeführt. Die berichteten Ergebnisse sind folglich relevant für eine effektive Unterrichtspraxis. Insgesamt wird deutlich, dass der Unterstützung beim Forschenden Lernen eine bedeutende Rolle zukommt.

Unabhängig davon, welchen Unterstützungsansatz die Lehrperson wählt, zeigen SchülerInnen bessere Lernaktivitäten, sie weisen während des Lernens bessere Durchführungserfolge auf und erzielen insgesamt bessere Lernergebnisse (siehe Studienbeispiel).

Insbesondere lernen sie auch besser zu verstehen, wie wissenschaftliche Erkenntnisgewinnung funktioniert. Entscheidend für die effektive Umsetzung ist also, dass die Lehrkraft ihre SchülerInnen adäquat unterstützt, wenn sie im MINT-Unterricht wie Forschende handeln. Adäquat meint dabei nicht zwangsläufig detailliert: Ein kurzer Hinweis zur rechten Zeit ist oft mindestens genauso lernförderlich wie eine ausführliche Erklärung.

Studienbeispiel

In ihrer experimentellen Studie von 2008 untersuchten Zohar und Ben David die Schülerleistungen beim Forschenden Lernen im Fach Biologie. 199 Achtklässler in sechs Klassen wurden dabei über einen Zeitraum von 12 Unterrichtseinheiten zum Themenkomplex „Fortpflanzung“ unterrichtet. Die Studie stellte einen besonders großen Effekt von zusätzlichen Erklärungen auf verschiedene Lernziele fest.

Alle SchülerInnen beschäftigten sich mit zwei Simulationen zu den Themen »Samenkeimung« und »Meerschweinchen« am Computer. Weitere Themen bearbeiteten die SchülerInnen ohne Computersimulation. Die Lehrkräfte waren angehalten, die Aufmerksamkeit der SchülerInnen in der Experimentalgruppe durch gezieltes Nachfragen und entsprechende Erklärungen auf wesentliche Aspekte ihrer Experimente zu lenken.

Beide Gruppen erzielten substanzielle Lernerfolge durch Forschendes Lernen. Die gezielten und an das jeweilige individuelle Problem der Lernenden angepassten Nachfragen und Erklärungen der Lehrkräfte bewirkten jedoch zusätzlich einen großen positiven Effekt sowohl mit Blick auf das Wissen über Fortpflanzung als auch auf die Forschungsfertigkeiten der SchülerInnen. Insbesondere leistungsschwächere SchülerInnen profitierten von der zusätzlichen Unterstützung.

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Einleitung

Reformbemühungen der vergangenen Jahre um den naturwissenschaftlichen Unterricht verweisen zunehmend auf die Bedeutung von Forschendem Lernen im Unterricht. Diese Entwicklung wird zudem von aktuellen Bildungsstandards und Lehrplänen unterstrichen. Forschendes Lernen bedeutet, dass SchülerInnen ähnlich wie Forschende aktiv und kollaborativ in Prozesse der Wissenserzeugung eingebunden sind, indem sie selbst zu naturwissenschaftlichen Fragen recherchieren, Experimente entwickeln und gewonnene Ergebnisse interpretieren.

Die Popularität dieses Ansatzes beruht auf der Grundannahme, dass SchülerInnen in einem derart gestalteten Unterricht ein besseres Verständnis naturwissenschaftlicher Inhalte erlangen als mit lehrerzentrierten Ansätzen. Diese Annahme ist jedoch bisher nicht umfassend belegt. So gab es in der Vergangenheit teils stichhaltige Kritik an offenen Lernumgebungen und schülerzentriertem Unterricht. Dabei wurden die Vorteile strukturierter Lernumgebungen mit direkter, lehrerzentrierter Instruktion betont, bei der detailliert geplante Experimente beispielsweise von der Lehrkraft vorgeführt und anschließend gemeinsam besprochen werden. Zum Vergleich dieser beiden Unterrichtsansätze sind zahlreiche Studien entstanden. Diese Metaanalyse fasst nun die zentralen Befunde zusammen.

Worum geht es in dieser Studie?

Lehrerzentrierte Instruktion oder Forschendes Lernen: Diese Metaanalyse geht der Frage nach, welcher der beiden Unterrichtsansätze das Verständnis naturwissenschaftlicher Inhalte bei SchülerInnen besser fördert. Die Grundlage für die Analyse bilden 37 Primärstudien, die im Zeitraum von 1996 bis 2006 in Zeitschriften mit Begutachtungsverfahren veröffentlicht wurden. Ausgewählt wurden Primärstudien mit experimentellem und quasi-experimentellem Untersuchungsdesign, die im Klassenzimmer durchgeführt wurden und die das naturwissenschaftliche Verständnis der SchülerInnen jeweils vor und nach der Unterrichtseinheit erfassten. Die Primärstudien beziehen verschiedene naturwissenschaftliche Fächer, Jahrgangsstufen (hauptsächlich Sekundarstufe), Länder und Schularten in ihre Untersuchungen ein.

Ähnlich wie bisherige Metaanalysen ermittelt die vorliegende Studie die Wirksamkeit von Forschendem Lernen durch einen Vergleich mit lehrerzentriertem Unterricht. Sie geht jedoch über bisherige Metaanalysen hinaus, indem sie explizit berücksichtigt, dass Forschendes Lernen und lehrerzentrierter Unterricht in den Primärstudien zum Teil ganz unterschiedlich definiert und umgesetzt werden. Um die verschiedenen Umsetzungsformen genauer zu definieren und einzuordnen, konzentrieren sich die AutorInnen auf zwei wesentliche Dimensionen: Zum einen beschreiben sie die einzelnen Lernaktivitäten dahingehend, welches kognitive Aktivierungspotenzial sie besitzen. Zum anderen erfassen sie, wie sehr die Steuerung der Lernprozesse in den Händen der Lehrkraft liegt ‒ beispielsweise, ob SchülerInnen genaue Instruktionen zur Durchführung einzelner Lernaktivitäten erhalten. Damit wollen die AutorInnen nicht nur präziser bestimmen, ob ein Unterrichtsansatz lernwirksamer ist als der andere, sondern auch, welche Faktoren im Einzelnen dazu beitragen.

Was findet diese Studie heraus?

Insgesamt erzielen SchülerInnen bei der Anwendung von Forschendem Lernen im Vergleich zu lehrerzentriertem Unterricht höhere Lernerfolge (d = 0.50; mittlere Effektstärke). Durch das differenzierte Vorgehen der AutorInnen liefert die Metaanalyse weitere Hinweise darauf, welche Lernaktivitäten sich bei der Umsetzung des Forschenden Lernens als besonders lernwirksam erweisen.

Mit Bezug auf die erste Dimension – der Frage nach dem kognitiven Aktivierungsgehalt der verschiedenen Unterrichtsansätze – zeigt sich, dass insbesondere epistemisch orientierte Aktivitäten als Bestandteile des Unterrichts mit Forschendem Lernen den Unterschied ausmachen (d = 0.75). Mit epistemisch orientierten Aktivitäten sind solche Aktivitäten gemeint, die SchülerInnen anregen, Erklärungen für naturwissenschaftliche Phänomene und Befunde zu entwickeln und beispielsweise mit den Ergebnissen eigener Experimente zu begründen. Diese Aktivitäten unterstützen SchülerInnen dabei, die besondere Art und Weise zu verstehen, wie Forschende in den Naturwissenschaften arbeiten, wie Wissen entsteht und wie es sich durch neue Erkenntnisse verändern kann.

Waren SchülerInnen neben den epistemisch orientierten Aktivitäten zusätzlich in prozedurale und soziale Aktivitäten (das heißt, gemeinsam Forschungsfragen oder Experimente entwickeln, Daten sammeln und aufbereiten sowie Ergebnisse präsentieren und diskutieren) involviert, erwies sich der Unterricht ebenfalls als besonders wirksam (d = 0.72). Mit Bezug auf die zweite Dimension – der Lernsteuerung – ergaben die Vergleiche der Untersuchungen, dass Forschendes Lernen insbesondere dann höhere Effektstärken aufweist, wenn die Unterrichtseinheiten stärker lehrergesteuert sind – im Verhältnis zu Unterricht, bei dem die Umsetzung überwiegend durch die Schüler selbst gesteuert wird.

Wie bewertet das Clearing House Unterricht diese Studie?

Die Clearing House Unterricht Research Group bewertet die Metaanalyse anhand der folgenden fünf Fragen und orientiert sich dabei an den Abelson-Kriterien (1995):

Wie substanziell sind die Effekte?

Gemäß der üblichen Kategorisierung nach Cohen (1988) liegt die durchschnittliche Effektstärke aller einbezogenen Einzelstudien im mittleren Bereich (d = 0.50). Das bedeutet, dass ca. 70 % der SchülerInnen über ein substanziell besseres Verständnis naturwissenschaftlicher Inhalte nach Aktivitäten im Sinne des Forschenden Lernens verfügen als nach Unterricht mit lehrerzentrierter Instruktion. Differenzierte Vergleiche in Bezug auf einzelne Bestandteile des Unterrichts zeigen, dass dieser bereits beachtliche durchschnittliche Effekt noch höher ausfallen kann, wenn Forschendes Lernen so eingesetzt wird, dass epistemische Aktivitäten aktiviert werden (d = 0.75) bzw. die einzelnen Lernaktivitäten vorwiegend lehrergesteuert begleitet werden (d = 0.65). Dieses Ergebnis bestätigt Befunde aus bisherigen Metaanalysen (Vergleiche Kurzreview 6), die ähnliche Effektstärken (d = 0.65) festgestellt haben. 

Wie differenziert sind die Ergebnisse dargestellt?

Die Differenziertheit der berichteten Effekte wird von der Clearing House Unterricht Research Group danach beurteilt, ob und wie detailliert die Bereiche Schulfächer, Jahrgangsstufen und Erfolgskriterium jeweils untersucht werden. Die Metaanalyse fokussiert hier jedoch ausschließlich auf inhaltliche Aspekte der Umsetzungsformen von Forschendem Lernen und nimmt keine weiteren Differenzierungen vor.

Wie verallgemeinerbar sind die Befunde?

Die vorliegende Metaanalyse berichtet ausschließlich Befunde über Mittelwerte von Effektstärken und vergleicht diese Mittelwerte (sogenannte Kontrastanalysen). Übliche inferenzstatistische Verfahren, auf deren Grundlage Aussagen über die Verallgemeinerbarkeit von Effekten getroffen werden können, fanden keine Anwendung. Damit sind statistisch abgesicherte Aussagen zur Verallgemeinerbarkeit des Gesamteffekts nicht möglich. Die berücksichtigten Primärstudien repräsentieren zwar unterschiedliche Kontexte (Fächer, Klassenstufen und Länder), separate Befunde werden dafür jedoch nicht berichtet. Eine weitere Einschränkung auf der Basis von Primärstudienstichproben ergibt sich dadurch, dass ein Großteil der einbezogenen Studien bereits einige Jahre zurückliegt (die aktuellste Studie ist von 2006) und somit keine Aussagen über jüngste Forschungsentwicklungen zu Forschendem Lernen getroffen werden können. Aktuelle inferenzstatistische Analysen zur Generalisierbarkeit des Unterrichtsansatzes finden sich in der Metaanalyse von Lazonder und Harmsen (2016; siehe Kurzreview 5).

Was macht die Metaanalyse wissenschaftlich relevant?

Die Studie leistet einen wichtigen Beitrag, indem sie das Spektrum an Möglichkeiten, wie Forschendes Lernen im Unterricht eingesetzt werden kann, genauer bestimmt. Basierend auf der zweidimensionalen Kategorisierung des Unterrichtsansatzes nach Aktivierungsgehalt und Lernsteuerung liefert die Metaanalyse differenziertere Vergleiche als frühere Untersuchungen. Die gewonnenen Ergebnisse lassen Rückschlüsse darauf zu, wie Lernaktivitäten im Rahmen des Forschenden Lernens effektiv gestaltet und kombiniert werden können. Die Ergebnisse zeigen damit nicht nur, dass dieser Unterrichtsansatz effektiv ist, sondern auch, wie sein Potenzial besser ausgeschöpft werden kann. So bietet diese Metaanalyse eine aussagekräftige Grundlage für künftige Forschungsbemühungen sowie für kontinuierliche Verbesserungen der Unterrichtspraxis.

Wie methodisch verlässlich sind die Befunde?

Die Offenlegung und Begründung des methodischen Vorgehens entspricht teilweise den Kriterien gängiger Anforderungskataloge (z.B. APA Meta-Analysis Reporting Standards). Die einzelnen Schritte des Erstellungsprozesses dieser Metaanalyse sind unterschiedlich gut dokumentiert. So ist der Suchprozess nachvollziehbar beschrieben, die Schritte zur Auswahl der Studien und die vorgenommenen statistischen Analysen hingegen sind nur teilweise nachvollziehbar und schlüssig begründet. Zu mehr Klarheit hätte auch beigetragen, wenn die Art und Weise, wie Lernerfolg innerhalb der Primärstudien gemessen wurde, transparenter dargestellt worden wäre. Weitere Informationen zu den Beurteilungskriterien finden Sie online in unserem Rating Sheet.

Fazit für die Unterrichtspraxis

Die Metaanalyse bezieht sich ausschließlich auf Primärstudien, die im Klassenzimmer durchgeführt wurden und lässt damit Rückschlüsse auf effektive Unterrichtspraxis zu. Sie liefert zudem eine genaue Beschreibung, welche Lernaktivitäten beim Forschenden Lernen besonders wirksam sind. Insgesamt erweist sich Unterricht mit Forschendem Lernen gegenüber lehrerzentriertem Unterricht in den Studien als überlegen. Dieser Befund deutet darauf hin, dass Forschendes Lernen und entsprechende Reformbemühungen grundsätzlich der richtige Weg sind, um das naturwissenschaftliche Verständnis von SchülerInnen besser als bisher zu fördern.

Naturwissenschaftlicher Unterricht ist dann besonders erfolgreich, wenn SchülerInnen ähnlich wie Forschende aktiv und gemeinschaftlich am Prozess der Wissenserzeugung beteiligt sind. Damit ist das ganze Spektrum an Forschungsaktivitäten gemeint: Fragestellungen entwickeln, Experimente und Untersuchungen konzipieren und umsetzen, Daten und Ergebnisse auswerten sowie Befunde interpretieren und erklären. Gerade die letztgenannten sogenannten epistemischen Aktivitäten, bei denen SchülerInnen eigene Befunde einordnen und ihre Forschungsaktivitäten reflektieren, erweisen sich als besonders hilfreich für das Verständnis naturwissenschaftlicher Inhalte. Lehrkräften kommt zudem eine bedeutsame Rolle in der Unterstützung der Lernprozesse zu: Die Eigenaktivität, zu der Forschendes Lernen SchülerInnen anregt, kann vorwiegend dann in hohe Lernerträge übersetzt werden, wenn Lehrkräfte die einzelnen Lernaktivitäten anleiten und begleiten.

Studienbeispiel

In ihrer Studie ermittelten Alexander und Kollegen (2002) einen besonders großen Effekt beim Vergleich einer Unterrichtseinheit mit Forschenden Lernen gegenüber einer lehrerzentrierten Unterrichtseinheit. Im Themengebiet »Astronomie« wurden die SchülerInnen der sechsten und siebten Jahrgangsstufe in zwei verschiedenen Gruppen (Experimentalgruppe vs. Kontrollgruppe) angeleitet, sich mit Galileo und davon ausgehend mit verschiedenen Weltbildern auseinanderzusetzen. Im lehrerzentrierten Unterricht wurden die wichtigsten Konzepte dieses Themengebietes ausschließlich durch die Lehrkraft aufbereitet und vermittelt.

Im Unterricht mit Forschendem Lernen nahmen SchülerInnen die Perspektive Galileos und anderer wichtiger Figuren selbst ein und waren angehalten, sie im historisch-philosophischen Kontext zu hinterfragen (epistemische Aktivierung). Sie werteten Texte nach vorgegebenen Leitfragen aus, präsentierten ihre Ergebnisse und stellten sie anschließend zur Diskussion. Gerade wenn Lehrkräfte stärker die Steuerung dieser Aktivitäten übernahmen, konnte der innovative Ansatz seine größere Effektivität im Vergleich zur direkten Instruktion demonstrieren.

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