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Die situierte Fehlersuche an elektronischen Schaltungen im Anschluss an den Cognitive Apprenticeship Ansatz

  • Die Fehlersuche an elektronischen Schaltungen gehört im Themenbereich der Elektrotechnik zu einem der zentralen Bildungsinhalte des Technikunterrichts. Auch die OECD sieht bei PISA das Diagnostizieren von Fehlern in einem nicht funktionierenden System als fächerübergreifend bedeutende Problemlösekompetenz naturwissenschaftlichen Unterrichts an. Für das Fach Technik standen empirische Evidenzen zu geeigneten Gestaltungsvarianten der curricular intendierten Ziele zur Fehlersuche an elektronischen Schaltungen bisher noch aus. Dieser Forschungslücke begegnet die vorliegende Arbeit mit der theoriegeleiteten Erarbeitung eines geeigneten Unterrichts und dessen Evaluation in einer schulpraktischen Intervention. Es wird dezidiert untersucht, ob, und wenn ja, inwieweit Lernende mit einem speziellen Unterrichtssetting im Anschluss an den Cognitive Apprenticeship Ansatz durch die gezielte Konfrontation mit realen (fehlerhaften) Schaltungen und der Aufgabe zur strukturierten Fehleranalyse günstiger in ihrer Kompetenz- und Motivationsentwicklung gefördert werden können als Schüler(innen), die eine an der Fertigungsaufgabe orientierte und tradierte Unterrichtsgestaltung durchlaufen. Als Feldexperiment in der Schulpraxis wird über fünf Stundenblöcke der Technikunterricht von n = 18 Klassen mit n = 230 Schüler(innen) der 9. und 10. Jahrgangsstufe in einem Experimental-Kontrollgruppenvergleich im Längsschnitt evaluiert. Während in den Experimentalgruppen zwischen einem uniformen und multiplen Schulungskontext bzgl. der eingesetzten elektronischen Schaltungen unterschieden wird, erhalten Lernende der Kotrollgruppe einen an der Fertigungsaufgabe orientierten traditionellen Unterricht. Die Ergebnisse der Studie können dahingehend interpretiert werden, dass mit einem situierten Unterricht zur Fehlersuche an elektronischen Schaltungen im Anschluss an den Cognitive Apprenticeship Ansatz eine weitestgehend positive Kompetenzentwicklung bei den Schüler(innen) erreicht wird. Sowohl im elektrotechnischen Fachwissen als auch in der Fehleranalysefähigkeit steigern Lernende im Vergleich zur Kontrollgruppe ihre Outputqualitäten mit einem mittleren bis großen Effekt. Die Ergebnisse ordnen sich in die bisherige Befundlage zu Cognitive Apprenticeship Interventionen der verwandten MINT-beteiligten Fächer Mathematik, Physik und Chemie ein und zeigen außerdem ähnliche Effektstärken, wie sie Hattie (2016) in seiner interdisziplinären Metaanalyse für den Einfluss von Problemlösen im Unterricht auf den Lernerfolg von Schüler(innen) nachweist. Keine signifikant positivere Entwicklung zeigt sich jedoch in den verschiedenen Motivationsformen, der Emotionalen Befindlichkeit und der Freude an Denkaufgaben. Die Annahme, dass Lernumgebungen mit uniformen Repräsentationsformen effektiver für die Fehleranalyse innerhalb dieses Kontextes sind als multiple Formen sowie dass Lernumgebungen mit multiplen Repräsentationsformen effektiver in der Transferfähigkeit der Fehleranalysefähigkeit sind als uniforme Formen, kann ebenfalls nicht bestätigt werden.
  • In the field of electrical engineering, error tracking in electronic circuits is part of the central curricula of technical training. The OECD also regards diagnostics in a non-functioning system as an interdisciplinarily relevant problem-solving competence of scientific education in the context of PISA. For the subject of engineering, no empirical evidence regarding appropriate variants of the objectives pursued by curricula in terms of error tracking in electronic circuits has been available so far. The present thesis aims at closing this research gap. It intensely investigates whether students could be better supported in the development of their competences and motivation by means of targeted confrontation with real (defective) circuits and the task to analyse faults in a structured manner by means of a special educational setting based on the Cognitive Apprenticeship approach than students who take part in classes that are oriented towards the production task and follow a rather traditional approach – and if so, to what extent. In a field experiment in a school setting, the technical courses of n = 18 classes with n = 230 students of the 9th and 10th year were evaluated over five hourly blocks in the form of an experimental longitudinal control group comparison. While in the experimental groups, a difference is made between a uniform and a multiple training context with regard to the electronic circuits used, the students of the control group have traditional lessons that are oriented towards the production task. The results of the study point to the fact that situated classes for error tracking in electronic circuits based on the Cognitive Apprenticeship approach help to achieve a mostly positive development of competences in the students. Both in terms of electrotechnical expert knowledge and with regard to their error analysis skills, the students show improved output qualities with a medium to large effect compared to students taking part in traditional lessons. The results match previous findings regarding Cognitive Apprenticeship interventions of the related STEM subjects of mathematics, physics and chemistry, and also show effects of a size similar to those Hattie (2016) demonstrated in his interdisciplinary meta-analysis of the influence of problem-solving in classes on students’ learning success. However, no significantly more positive development was shown for the different forms of motivation, of emotional states, and of pleasure in brain teasers. Furthermore, the assumption that learning environments with uniform forms of representation were more effective for error tracking in this context than multiple forms, or the assumption that learning environments with multiple forms of representation were more effective with regard to the ability to transfer error tracking than uniform forms cannot be confirmed.

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frontdoor_oas
Metadaten
Author:Hannes Helmut Nepper
URN:urn:nbn:de:bsz:lg1-opus4-6384
Referee:Bernd Geißel, Tobias Gschwendtner
Advisor:Bernd Geißel
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:2019/05/20
Release Date:2019/10/04
Year of Completion:2019
Tag:situiertes Lernen, Kognitive Meisterlehre, Technikunterricht, Fehlersuche
situated learning, cognitive apprenticeship, technical education, troubleshooting
GND Keyword:Elektrotechnik; Kognitive Lerntheorie; Schaltungen; Technikunterricht
Pagenumber:344
Faculties:Fakultät für Kultur- und Naturwissenschaften
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 600 Technik
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