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Chemielehre 4.0 – Entwicklung, Implementation und Evaluation digitaler Hochschullehre im naturwissenschaftlichen Sachunterricht und der Chemie

  • Die Kultusministerkonferenz, Hochschullehrende und Studierende fordern den Einsatz digitaler Medien in der Hochschulbildung. Die vielfältigen Potentiale digitaler Technologien sollen genutzt werden, um die Lehre weiterzuentwickeln sowie den aktuellen und zukünftigen Herausforderungen von Hochschulen entgegenzuwirken. Beschleunigt durch die Covid-19-Pandemie ist der Einsatz digitaler Technologien in Bildungsinstitutionen in Deutschland eines der aktuell bedeutendsten Themen der Hochschul- und Schulentwicklung. In Bezug auf die Ausbildung von Lehramtsstudierenden fordert die Kultusministerkonferenz (KMK) (2017) eine systematische Herangehensweise, damit zukünftige LehrerInnen relevante digitale Kompetenzen erlangen, um erfolgreich digitale Technologien in der Schule einsetzen zu können. Studien zeigen jedoch, dass die Möglichkeiten der Digitalisierung bisher nur unzureichend in der Lehre an den Hochschulen in Deutschland (Dittler & Kreidl, 2018; Gilch et al., 2019; Schmid et al., 2017) und speziell in der Lehramtsausbildung (Maxton-Küchenmeister & Meßinger-Koppelt, 2020) realisiert wurden. Dies überrascht, da die Forschung Konzepten und Lernmedien mit digitalen Technologien großes Potential einräumt (z. B. Hillmayr et al., 2017; Ma et al., 2014). Konzepte wie das flipped classroom (Al-Samarraie et al., 2019) oder die Interaktivität (Sosa et al., 2011) können großen Einfluss auf den Lernerfolg von Studierenden haben. Insgesamt kann die Nutzung von digitalen Technologien die Hochschullehre individualisierter, attraktiver, effektiver und flexibler machen (Arnold et al., 2015; Dittler & Kreidl, 2018; Issing & Klimsa, 2009; Popp & Ciolau, 2017; Wachter et al., 2016; Xu & Xu, 2019). Basierend auf diesen Forderungen und Forschungsergebnissen ist das zentrale Ziel dieser Dissertation die nötige Weiterentwicklung der Hochschullehre von Lehramtsstudierenden der Naturwissenschaften durch die Nutzung digitaler Technologien, um die digitalen Kompetenzen der Lehramtsstudierenden zu stärken. Diese Weiterentwicklung ist in diesem Projekt durch das Modell der Partizipativen Aktionsforschung für die Hochschullehre organisiert (Tolsdorf & Markic, 2018). Mit dem Modell werden neue Lehrkonzepte und digitale Medien in zyklischen Prozessen entwickelt, erprobt, evaluiert und verbessert. Damit die geplanten Neuentwicklungen jedoch lernförderlich für die Studierenden sein können, werden als Teil der Diagnostik, die Lehramtsstudierenden der Naturwissenschaften im Hinblick auf ihr Wissen, ihren Einstellungen und Lernausgangsbedingungen bezüglich digitaler Technologien, beforscht. Konkret werden die Student Readiness for Online Learning (Martin et al., 2020a), das Technological Pedagogical and Content Knowledge (TPACK) (Koehler & Mishra, 2008) und die Überzeugungen von Lehramtsstudierenden bezüglich digitaler Technologien (Admiraal et al., 2017) untersucht, da diese das Lernen und auch das zukünftige Unterrichten von Studierenden mit digitalen Medien beeinflussen (Ertmer & Ottenbreit-Leftwich, 2010; Guzey & Roehrig, 2009). Diese Erkenntnisse werden im Rahmen dieser Arbeit für die Weiterentwicklung der Lehrkonzepte und der digitalen Medien genutzt, sie sind jedoch auch von allgemeinem Forschungsinteresse. Resultierend aus diesen Zielvorgaben, konstituiert sich dieses Dissertationsprojekt in einen Forschungs- und einen Entwicklungsteil. Im Forschungsteil werden dementsprechend die Student Readiness for Online Learning, das TPACK und die Beliefs der Lehramtsstudierenden der Naturwissenschaften gegenüber digitalen Technologien in quantitativen Forschungsdesigns untersucht. Die Forschungsergebnisse bezüglich der Student Readiness for Online Learning zeigen, dass Lehramtsstudierenden der Naturwissenschaften grundsätzlich bereit sind mit digitalen Medien zu lernen. Sie schätzen die nötigen Fähigkeiten als generell wichtig für ihr eigenes Lernen ein, sind sich jedoch unsicher, ob sie diese Fähigkeiten erwerben können. Bei der Erforschung der Beliefs der Lehramtsstudierenden zeigt sich, dass sie digitale Medien als etwas bis relativ wichtig und unterstützend in ihrem Lernen und zukünftigem Unterrichten ansehen. Die Untersuchung des TPACKs zeigt, dass Studierende unentschieden sind, inwieweit sie das relevante Wissen zur Nutzung digitaler Medien in ihrem zukünftigen Unterricht haben. Durchgeführte Vergleichsstudien mit den USA dokumentieren, dass Lehramtsstudierende in Deutschland signifikant weniger bereit sind mit digitalen Medien zu lernen und diese als erheblich weniger wichtig und unterstützend für ihr Lernen und zukünftiges Unterrichten einschätzen. Außerdem sehen sich deutsche Lehramtsstudierende als signifikant weniger kompetent an, relevante Fähigkeiten zu erwerben und mit digitalen Technologien zu unterrichten. Im Entwicklungsteil dieser Dissertation werden diese umfangreichen Erkenntnisse in der Entwicklung der Lehrkonzepte und Medien berücksichtigt. So konnten sowohl zwei erfolgreiche Lehrveranstaltungen, die das flipped classroom-Konzept gewinnbringend einsetzen, als auch interaktive Lernmedien entwickelt werden. Die Mixed-Methods-Begleitforschung zeigt, dass die interaktiven Lernmedien die Studierenden unterstützen und zu einem erfolgreichen Lehrkonzept mit digitalen Medien in der Hochschullehre beitragen können. Weiter konnte durch die entwickelten Lehrveranstaltungen das TPACK der Lehramtsstudierenden positiv beeinflusst werden. Die Beliefs der Lehramtsstudierenden der Naturwissenschaften verändern sich hingegen kaum, jedoch wurde eine selektive Veränderung der Beliefs in Bezug auf einzelne digitale Technologien durch die Covid-19-Pandemie nachgewiesen. Auf Grundlage dieser Forschungs- und Evaluationsergebnisse wurde das Ziel der Weiterentwicklung der Hochschullehre mit digitalen Medien erfolgreich erreicht. Dabei erwies sich das Modell der Partizipativen Aktionsforschung für die Hochschullehre (Tolsdorf & Markic, 2018) basierend auf den wertvollen Resultaten und der Professionalisierung der Beteiligten, als geeignet für dieses Entwicklung- und Forschungsprojekt. Besonders die Zusammenarbeit mit den Lehramtsstudierenden war gewinnbringend für die Weiterentwicklung der Hochschullehre, da die Studierenden das Entwickelte vielfältig und tiefgehend bewerten und auf dieser Grundlage profunde Verbesserungen möglich waren. Die vielfach erprobten, evaluierten und somit abgesicherten Lehrkonzepte und Lernmedien können als innovative Beispiele von Hochschullehrenden der Fachdidaktik der Naturwissenschaften oder auch darüber hinaus genutzt werden. Dadurch könnte die Weiterentwicklung der Lehre von Hochschullehrenden vereinfacht werden. Die gewonnenen vielfältigen Erkenntnisse der Studien des Forschungsteils können auch außerhalb dieser Dissertation als wertvoll für die fachdidaktische Forschung der Naturwissenschaften angesehen werden. Die erlangten Ergebnisse geben wichtige Hinweise in Bezug auf Lehramtsstudierende und ihre potentielle Nutzung von digitalen Medien in ihrem zukünftigen Unterricht. Die entwickelten Lehrkonzepte und besonders die Lernmedien sind als Open Educational Ressource (OER) im Sinne der Nachhaltigkeit auf der selbst entwickelten Plattform nw-didaktik-digital.de bereitgestellt. Auf diese Weise kann das Entwickelte von Hochschullehrenden der Naturwissenschaften in der Lehramtsausbildung für die Innovation der Lehre einen relevanten Beitrag leisten.
  • The educational policy in Germany (KMK), university teachers and students alike call for the use of digital media in higher education. Claimed by the KMK (2017), the various potentials of digital technologies should be used to further develop teaching and counteract the current and future challenges of higher education institutions. Accelerated by the Covid-19-pandemic, the use of digital technologies in educational institutions in Germany is currently one of the most relevant topics in higher education and school development. Concerning the training of student teachers, the KMK (2017) calls for a systematic approach for future teachers to acquire relevant digital competencies enabling them to use digital technologies in school successfully. However, studies show the possibilities of digitalisation have so far been insufficiently realised in teaching at universities in Germany (Dittler & Kreidl, 2018; Gilch et al., 2019; Schmid et al., 2017) and specifically in teacher training (Maxton-Küchenmeister & Meßinger-Koppelt, 2020). This is surprising, as research acknowledges the great potential for concepts and digital media in education (e.g. Hillmayr et al., 2017; Ma et al., 2014). In addition, concepts such as flipped classroom (Al-Samarraie et al., 2019) or interactivity (Sosa et al., 2011) haven proven to greatly impact student learning. Overall, the use of digital technologies enhances university teaching more individualised, attractive, effective and flexible (Arnold et al., 2015; Dittler & Kreidl, 2018; Issing & Klimsa, 2009; Popp & Ciolau, 2017; Wachter et al., 2016; Xu & Xu, 2019). Based on this demands and research, the main aim of this dissertation is the necessary development of university teaching of pre-service science teachers through the usage of digital technologies. This way, students may acquire relevant digital competencies. The aforementioned development is organised by the Participatory Action Research model for higher education teaching (Tolsdorf & Markic, 2018). In line with this model, learning concepts and digital media are developed, tested, evaluated and improved in cyclical processes. However, in order to ensure the suitability for students of these new developments as part of the diagnostics, science student teachers are examined concerning their knowledge, attitudes and learning conditions regarding digital technology. Specifically, student Readiness for Online Learning (Martin et al., 2020a), Technological Pedagogical and Content Knowledge (TPACK) (Koehler & Mishra, 2008) and student teachers' beliefs about digital technologies (Admiraal et al., 2017) will be explored as these influence student learning and future teaching with digital media (Ertmer & Ottenbreit-Leftwich, 2010; Guzey & Roehrig, 2009). The findings regarding students’ readiness, TPACK and beliefs will not only be used to further develop learning concepts and digital media but are also of general research interest. Based on the objectives, the dissertation is constituted in two parts: research and development. In the research part, the Student Readiness for Online Learning, the TPACK and the beliefs of science student teachers towards digital technologies are examined in quantitative research designs. The results of this research show science pre-service teachers have medium values in the Student Readiness for Online Learning, the TPACK and the beliefs towards digital technologies. In terms of readiness, the conducted research shows, that students are basically ready to learn with digital media. They rate the necessary skills as generally important for their own learning, but are unsure whether they can acquire these skills. Concerning beliefs, pre-service teachers see digital technologies as somewhat to relatively important and supportive regarding learning and teaching. In the research of TPACK, it was found, that pre-service science teachers are undecided whether they have the necessary TPACK to teach with digital media. Comparative studies with the US show German pre-service teachers being significantly less ready to learn with digital technologies and see them as significantly less important and supportive for learning and teaching. Moreover, German students see themselves as significantly less competent to acquire relevant skills and to teach with digital technologies. In the development part of this dissertation, these extensive findings were considered in the creation of learning concepts and media. Thus, not only two successful courses were developed that profitably use the flipped classroom concept, but also interactive learning media were developed. The mixed-methods accompanying research shows interactive learning media do support the students and may contribute to a successful learning concept with digital media in university teaching. Furthermore, the pre-service teachers’ TPACK could be positively influenced by the developed courses. In contrast, the beliefs of science student teachers hardly change, but the Covid-19-pandemic demonstrated a selective change in relation to individual digital technologies. Based on these results, the goal of this dissertation to further develop university teaching with digital media can be claimed as being achieved. The Participatory Action Research model for higher education (Tolsdorf & Markic, 2018) has proven to be suitable for this development and research project, based on the valuable outcomes and professionalisation of the participants. Moreover, the cooperation with pre-service teachers was beneficial for the further development of university teaching, because a versatile and in-depth evaluation through the students enable further improvement. The validated learning concepts and learning media can be used as innovative examples by university teachers of science didactics and beyond. In this way, further development of teaching of university teachers could be facilitated. The insights gained from the studies in the research part can be seen as valuable for research in science education, even beyond this dissertation. This dissertation give important indications regarding the potential usage of digital technology in the future teaching of German pre-service teachers. The developed learning concepts and especially the learning media are made available as an Open Educational Resource (OER) in the sense of sustainability on the self-developed platform nw-didaktik-digital.de. In this way, other university teachers of sciences can use the developed concepts and media in teacher training to contribute to teaching innovation in the future.

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frontdoor_oas
Metadaten
Author:Julian Küsel
URN:urn:nbn:de:bsz:lg1-opus4-8746
Referee:Silvija Markic, Thomas Plotz, Philipp Spitzer
Advisor:Silvija Markic
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Publishing Institution:Pädagogische Hochschule Ludwigsburg
Granting Institution:Pädagogische Hochschule Ludwigsburg, Fakultät für Kultur- und Naturwissenschaften
Date of final exam:2022/07/29
Release Date:2022/08/08
Year of Completion:2022
Tag:Beliefs von Lehramtsstudierenden; Digitale Technologien in der Lehre; Entwicklung von Lehrveranstaltungen; Naturwissenschaften; TPACK von Lehramtsstudierenden
GND Keyword:Chemiedidaktik; Chemieunterricht; Digitale Medien; Hochschule/Lehre
Page Number:219
Faculties:Fakultät für Kultur- und Naturwissenschaften
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
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