The development of scientific reasoning from primary school to secondary school: A longitudinal study (Science-S)

• Applicant: Professorin Dr. Susanne Koerber
• Subject Area: General and Domain-Specific Teaching and Learning ; Developmental and Educational Psychology
• Term: from 2016 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 290176810

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Das Längsschnittprojekt Science-S verfolgte anhand von 610 Kindern über sechs Messzeitpunkte die Entwicklung des wissenschaftlichen Denkens von Klasse 3 (n= 109 Kinder aus dem Vorgängerprojekt Science-P) bis zum Ende der Sekundarstufe in Klasse 10. Hierfür wurde mit dem SPR-I ein Inventar genutzt, das wissenschaftliches Denken reliabel und umfassend in den Bereichen Experimentierverständnis, Dateninterpretation und metakonzeptuelles Wissenschaftsverständnis abbildet. Daneben wurde naturwissenschaftliches Wissen erfasst. Zudem kamen kognitive Maße (IQ, Inhibition, Leseverständnis, zudem: Noten), affektiv-motivationale Maße (Selbstwirksamkeit, epistemische Neugier) sowie Maße der häuslichen Umgebung (sozio-ökonomischer Status, elterliches Bildungsniveau und Unterstützung bei Hausaufgaben) zum Einsatz sowie in Klasse 10 weitere Maße des wissenschaftlichen Denkens und Argumentierens. In Beantwortung von Fragestellung 1 konnten wir a) signifikante Fortschritte im wissenschaftlichen Denken über die Schulzeit nachweisen, wobei b) naive Vorstellungen durch Zwischen- bzw. fortgeschrittene Vorstellungen abgelöst wurden. Zudem zeigte sich, dass c) die die größten Entwicklungsschritte bis Klasse 8 vorlagen und die Leistung von über der Hälfte aller Schüler:innen in Klasse 10 noch auf dem Niveau von Zwischenvorstellungen lag. Aktuell ist eine internationale Veröffentlichung in Bearbeitung, in der wir die Daten für latente Klassenanalysen aufbereiten, mittels derer wir aus Perspektive eines personenzentrierten Ansatzes unterschiedliche Schüler:innengruppen aufgrund ihrer Entwicklungsprofile identifizieren und somit noch differenziertere Aussagen zur konzeptuellen Entwicklung getroffen werden können. In Fragestellung 2 beantworteten wir die prognostische Validität individueller Unterschiede der in der Grundschule identifizierten Kompetenz mittels Korrelationen, Regressionen und DIF Analysen. Insgesamt zeigten sich sowohl für den Übergang Grundschule-Sekundarstufe als auch innerhalb der Sekundarstufe, unabhängig von Intelligenz und dem Bildungsniveau der Eltern, starke Prädiktionen früher Kompetenzen des wissenschaftlichen Denkens auf spätere Kompetenzen, wobei die Stabilität interindividueller Unterschiede im Laufe der Sekundarstufe eine stärkere Zunahme zeigte. In Fragestellung 3 beschäftigten wir uns mit Prädiktoren des wissenschaftlichen Denkens und konnten zeigen, dass wissenschaftliches Denken und naturwissenschaftliches Wissen unabhängig von der Intelligenz miteinander zusammenhängen, jedoch zwei separate Konstrukte bilden. Unsere Ergebnisse zeigen weiter, dass wissenschaftliches Denken naturwissenschaftliches Wissen in den niedrigeren Klassenstufen vorhersagt, während Gegenteiliges in den höheren Klassenstufen der Fall ist. Growth curve Analysen zeigten, dass wissenschaftliches Denken individuelle Unterschiede (intercepts) jedoch nicht Entwicklungsunterschiede (slopes) im naturwissenschaftlichen Wissen vorhersagen. In den Studien zu den zusätzlichen Fragestellungen 4 und 5 konnten wir zum einen die Reliabilität, Validität und internationale Etablierung des in Science-P entwickelten Instrumentes SPR-I demonstrieren und zum anderen mit eigens entwickelten Maßen zur aufgabenspezifischen Selbstwirksamkeitserwartung (SWE) signifikante Beziehungen zwischen SWE und wissenschaftlichem Denken zeigen. Zudem konnten wir sowohl vor als auch in der Mitte der Sekundarstufe mehrere und unterschiedliche Beziehungscluster zwischen SWE und wissenschaftlichem Denken zeigen. Das Projekt liefert wichtige Erkenntnisse zur konzeptuellen Entwicklung des wissenschaftlichen Denkens, der Stabilität interindividueller Unterschiede sowie zu Antezedenzen (kognitiv, affektiv-motivational) und Konsequenzen (naturwissenschaftliches Wissen) des wissenschaftlichen Denkens über die Schulzeit.

Publications

• (2017). Science-P.II. Modeling scientific reasoning in primary school. In D. Leutner, J. Fleischer, J. Grünkorn & E. Klieme (Eds.). Competence Assessment in Education: Research, Models and Instruments. Berlin: Springer
  Koerber, S., Sodian, B., Osterhaus, C., Mayer, D., Kropf, N., & Schwippert, K.
  
• (2017). Scientific thinking in elementary school: Children's social cognition and their epistemological understanding promote experimentation skills. Developmental Psychology. 53, 450-462
  Osterhaus, C., Koerber, S., & Sodian, B.
  
• (2020). How to measure scientific reasoning in primary school: A comparison of different test modalities. European Journal of Science and Mathematics Education, 8, 137–144
  Nyberg, K., Koerber, S., & Osterhaus, C.
  
• (2020). The Science-P Reasoning Inventory (SPR-I): measuring emerging scientific-reasoning skills in primary school. International Journal of Science Education, 42(7), 1087-1107
  Osterhaus, C., Koerber, S., & Sodian, B.
  
• (2022). Self-effective scientific reasoning? Differences between elementary and secondary school students. Frontline Learning Research. 10, 25-45
  Nyberg, K., Koerber, S., & Osterhaus, C.