Förderung von Konzeptverständnis durch Augmented Reality Experimente zum Thema Elektromagnetismus

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Roland Brünken; Professorin Dr. Sarah Hofer; Professor Dr. Jochen Kuhn; Dr. Stefan Küchemann; Dr. Sarah Malone
• Fachliche Zuordnung: Allgemeines und fachbezogenes Lehren und Lernen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471917560

Ein grundlegendes Ziel naturwissenschaftlichen Unterrichts ist der Aufbau abstrakter wissenschaftlicher Konzepte. Geführte forschungsbasierte Lernaktivitäten sowie das Lernen mit multiplen externen Repräsentationen (MER) können die Schüler*innen dabei fördern. Während MER das Konzeptverständnis der Lernenden während des angeleiteten Experimentierens unterstützen können, stellt diese kombinierte Lernumgebung aber auch hohe Anforderungen an die Schüler*innen. Das Lernen mit MER induziert eine erhebliche kognitive Belastung, da es die Integration von räumlich und zeitlich getrennten Informationen erfordert. Wenn die Studierenden gleichzeitig experimentieren, steigt die kognitive Belastung abhängig vom Vorwissen der Studierenden und dem Grad der Anleitung während des Experimentierens weiter an. Augmented Reality (AR) ermöglicht die räumliche und zeitliche Integration von MER während des Experimentierens und reduziert damit die kognitive Gesamtbelastung. Am Beispiel des Elektromagnetismus und der Lorentz-Kraft nutzen wir das Potenzial von AR, um sukzessive eine optimierte Lernumgebung zu schaffen, die MER und angeleitetes Experimentieren kombiniert.In vier Studien wird untersucht, welche AR-induzierten externalen Repräsentationen am besten geeignet sind, das Lernen zu unterstützen, und wie sie mit dem Grad der Anleitung während des Experimentierens interagieren. Studie 1 untersucht, welche MER das Konzeptwissen und die Repräsentationskompetenz beim Experimentieren mit hoher Anleitung am besten unterstützen. Dabei steht die Richtung der Lorentz-Kraft im Mittelpunkt. In zwei weiteren Studien wird in Schülerexperimenten der Betrag der Lorentzkraft adressiert: In Studie 2.1 wird die Art der MER variiert, und in Studie 2.2 wird untersucht, wie die Kombinationen der AR-induzierten Repräsentationen, die sich als am besten erwiesen haben, mit dem Ausmaß der experimentellen Anleitung (hoch vs. niedrig) interagieren. In Studie 3 werden die Erkenntnisse aus den ersten drei Laborstudien auf den Schulunterricht übertragen, um die beste Kombination von Bedingungen in einer Feldstudie zu testen. Um Einblicke in die visuellen und kognitiven Prozesse der Schüler*innen zu erhalten, die für das erfolgreiche Lernen mit MER während des Experimentierens verantwortlich sind, werden wir die Augenbewegungen der Schüler*innen während des Experimentierens aufzeichnen, ihre Arbeithefte analysieren und ihre kognitive Belastung erfassen. Wir erwarten, dass diese Studienreihe wichtige Erkenntnisse darüber liefern wird, wie die sich noch entwickelnde AR-Technologie genutzt werden kann, um optimierte Lernumgebungen im naturwissenschaftlichen Unterricht zu schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Peter Edelsbrunner; Dr. Andreas Lichtenberger; Privatdozent Dr. Ralph Schumacher; Professorin Dr. Elsbeth Stern; Professor Dr. Andreas Vaterlaus