Research and Projects - WG Fischer

Research Unit and Graduate School nwu - essen

The DFG Research Unit 511 and the Research Training Group "science education - essen” have been underway since October 1, 2003. Bringing together the three natural sciences (biology, chemistry, and physics), empirical educational research, and the psychology of teaching and instruction, their interdisciplinary research examines central themes of natural science instruction – its mechanisms and its outcomes. Their objective is to produce an overall assessment that can be used to identify the general conditions of natural science instruction that are shown to promote teaching quality, and to modify these conditions to achieve further improvements.  
The combination of disciplines facilitates the study of instructional contexts, individual processes of instruction and learning, and the systemic conditions under which natural science instruction takes place.

Start in November 2011 Professional knowledge in Physics teacher training (ProfiLe-P)

The professional knowledge of a teacher is an essential qualification for successful teaching. Since Sulman (1987) three dimensions of professional knowledge are distinguished: content knowledge (CK), pedagogical content knowledge (PCK) and pedagogical knowledge (PK).

In the research network ProfiLe-P three subprojects (DaWis, University Paderborn; Ewis, University Bremen; FaWis, University Duisburg-Essen) are developing a model framework to operationalize the pedagogical content knowledge (Paderborn, Bremen) and the content knowledge in physics as part dimension of the content knowledge of ongoing teachers in physics.

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Professional knowledge in science (ProwiN)

Professional knowledge of teachers constitutes a central prerequisite for successful and effective education. The model of Shulman (1987) distinguishes between seven areas of professional knowledge: content knowledge, pedagogical knowledge and pedagogical content knowledge. Content knowledge and pedagogical content knowledge of mathematics teachers have already been the subject of research in the COACTIV study (Baumert et al., 2006). The ProwiN project aims to extend the COACTIV study by addressing the three dimensions of professional knowledge in science teachers. A conceptual model for content knowledge, pedagogical knowledge and pedagogical content knowledge in the subjects biology, chemistry and physic will be developed in the first stage of the project (2009-2011). Appropriate tests will be established in order to investigate the validity of the proposed conceptual models.  The theory-driven expectations about the relationship between the three dimensions of professional knowledge and their correlations with external constructs are subjects of empirical analysis. In this respect, particular emphasis is devoted to the dimension pedagogical knowledge.

The aspired contribution of the project is twofold: besides establishing valid and reliable models and instruments for measuring content knowledge, pedagogical knowledge and pedagogical content knowledge of teachers in biology, chemistry and physic, the aim of the project is to derive insights about the structure of professional knowledge in science teachers. A further level of analysis is the relationship between professional knowledge, teaching practice and learning outcomes. The project outcomes are supposed to yield considerable practical implications for learning and instruction in the area of science education.  These practical implications will be communicated to schools and universities, in order to apply the empirical insights about the structure and role of professional teacher knowledge in all stages of teacher training.

 

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Mercator Projekt Ganz-In All-Day Schools for a Brighter Future.

Hintergrund und Projektbeschreibung:  
Aus verschiedenen Begründungszusammenhängen heraus lässt sich die Forderung postulieren, dass Deutschland mehr Abiturienten und weniger Schulabbrecher braucht. Über den Bildungserfolg von Schülerinnen und Schülern entscheidet jedoch nachweislich noch immer in besonderem Maße die soziale Herkunft des Einzelnen.  
Hier setzt das neue Projekt „Ganz In – mit Ganztag mehr Zukunft. Das neue Ganztagsgymnasium NRW“ an. Innerhalb des Projekts haben die bis zu 30   teilnehmenden Gymnasien die Möglichkeit, die organisatorische Struktur nachhaltig zu verändern und eine neue Lernkultur einzuführen, die durch den gebundenen Ganztag mehr Zeit für individuelle Förderung bietet. Dabei sollen besonders diejenigen Schülerinnen und Schüler in den Blick genommen werden, die ein hohes Leistungspotenzial besitzen, es aber aufgrund äußerer Rahmenbedingungen bislang nicht voll ausschöpfen konnten. Die Entfaltung der Leistungspotenziale dieser Schülerinnen und Schüler gelingt dem deutschen Bildungswesen bisher nur unzureichend.  
Die Projektlaufzeit ist zunächst auf sechs Jahre begrenzt und soll nach Bewertung eines dann vorliegenden Forschungsberichts auf zehn Jahre ausgeweitet werden. Die von der Stiftung Mercator, dem Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen (MSW) sowie den Universitäten Bochum, Duisburg/Essen und Dortmund bereitgestellte Fördersumme des Projektes beläuft sich für die erste sechsjährige Projektphase auf knapp 10 Millionen Euro.  
 
Zielsetzung  
Mehr Schülerinnen und Schüler durch intensivere individuelle Förderung zum Abitur zu führen und eine Verbesserung der Qualität der Abschlüsse insgesamt zu erreichen, sind die zentralen Ziele des von der Stiftung Mercator, dem Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen (MSW) sowie den Universitäten Bochum, Duisburg/Essen und Dortmund unter der wissenschaftlichen Ägide des Instituts für Schulentwicklungsforschung (IfS) initiierten Projekts.  
Um die avisierten Zieldimensionen erreichen zu können, haben die Schulen im Rahmen des Projektes neben einer verbesserten sächlichen und personellen Ausstattung Zugriff auf professionelle Unterstützungssysteme. Die Projektschulen

  • haben Unterstützung durch einen Schulentwicklungsberater, der die Schule im Entwicklungsprozess begleitet,
  • können   einen kontinuierlichen wissenschaftlichen Input aus den Fachdidaktiken Deutsch, Mathe, Englisch und Naturwissenschaften sowie der Lernforschung und der Bildungs- und Schulentwicklungsforschung einfordern, um ihre schulischen Entwicklungsprozesse voranzutreiben, 
  • haben die Möglichkeit, auf durch das Projekt weiterentwickelte (Schul-)Netzwerke in ihrer Bildungsregion zuzugreifen.   

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cooperative project ProDaZ „ProDaZ – Deutsch als Zweitsprache in allen Fächern“

Der naturwissenschaftliche Fachunterricht erfordert in besonderer Weise den Umgang mit wissenschaftspropädeutischen Texten (z.B. Sachtexten, insbesondere Lehrbuchtexten). Solche Texte sind u.a. gekennzeichnet durch Fachtermini und Komposita (z.B. Wärmekraftmaschine),   bestimmten oft verkürzten Nebensatzkonstruktionen (z.B. Konditional-, Final-, Konsekutiv- und Relativsätze), komplexer Attribute (z.B. induzierte Spannung), unpersönlichen Ausdrucksweisen und die Verwendung von Passiv und Passiversatzformen. Schülerinnen und Schüler müssen das Lesen, Erschließen und Erstellen solcher Texte erlernen. Lehrkräfte müssen daher in der Vermittlung von Schreib- und Lesestrategien ausgebildet werden.  
In Zusammenhang mit dem Projekt "ProDaZ - Deutsch als Zweitsprache in allen Fächern" der Universität Duisburg-Essen und der Stiftung Mercator wird daher ein Konzept entwickelt und in Veranstaltungen erprobt, um angehenden Physiklehrerinnen und Physiklehrern die Sprache ihres Faches und deren Bedeutung für das fachliche Lernen bewusster zu machen. Die Studierenden sollen Einblick in die aktuelle Forschung und didaktische Ansätze erhalten, um Unterrichtsentwürfe und -materialen auf Grundlage von Kriterien kritisch bewerten und entwickeln zu können. Hierzu gehört die Kenntnis geeigneter Schreib-, Lese- und Sprachübungen.  
Ab Wintersemester 2011/2012 wird ein Seminar angeboten, in dem anhand ausgewählter Texte aus aktuellen Lehrwerken der Sekundarstufe I Strategien vorgestellt und Unterrichtsmethoden entwickelt werden sollen, die das Ziel haben, sprachliches und fachliches Lernen miteinander zu verknüpfen. Hierzu zählt insbesondere, Schülerinnen und Schülern ein besseres sprachliches und inhaltliches Erfassen von Schulbuchtexten und die bessere Versprachlichung grafischer Darstellungsformen (Diagramme, Grafen usw.) zu ermöglichen.  
Darüber hinaus kommt der Anwendung der Fachsprache bei der Umsetzung z.B. von Versuchsprotokollen und anderen wichtigen Textformen, die Schülerinnen und Schüler im Physikunterricht produzieren müssen, eine besondere Bedeutung zu. Dieses Seminars wird derzeit in Kooperation zwischen ProDaZ und der Physikdidaktik (AG Fischer) vorbereitet.  
Daneben ist die Physikdidaktik auch im Projekt "Ganz In – mit Ganztag mehr Zukunft. Das neue Ganztagsgymnasium in NRW" involviert. In diesem Projekt wird auch der Sprachförderung und dem Thema Deutsch als Zweitsprache besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Zielsetzung ist dabei, die Abschlussquoten von Schülerinnen und Schülern mit Migrationshintergrund zu erhöhen. Im Rahmen dieses Projektes stellt die Physikdidaktik in Kooperation mit ProDaz Beratungs-und Fortbildungsangebote bereit.

Ansprechpartner:

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Quality of Instruction „Quality of Instruction in Physics – comparing instruction and performance in Finnland, Germany and Switzerland"

The project "Quality of instruction in physics education" (QuIP) aims for a comparison of physics instruction in Finland, Germany and Switzerland. In scope thereof, the surface and deep level of instruction in physics are investigated to identify criteria determining differences in students’ achievement. To deliver those findings the QuIP-study takes into account the surrounding conditions of instruction in physics, i.e. professional knowledge of physics teachers, students’ motivation and background information on students’ and teachers’ side. This way, a more holistic view on the quality of physics instruction is achieved.

QuiP is a cooperation project between the AG Fischer, University Duisburg-Essen, Prof. Labudde, PH Basel, Switzerland and Prof. Jouni Viiri at the University Jyväskylä, Finnland.

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Development of tests in Physics

Die Arbeitsgruppen Fischer (Didaktik der Physik) und Sumfleth (Didaktik der Chemie) wurden vom Institut für Qualitätsentwicklung im Bildungswesen (IQB) beauftragt, die Aufgaben für die Lernstandserhebungen in den zehnten Klassen im Jahr 2012 für die Fächer Physik und Chemie zu entwickeln. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit mit dem IQB werden zwei Doktorandenstellen finanziert.  
Beide Arbeitsgruppen und die Forschergruppe naturwissenschaftlicher Unterricht beschäftigen sich seit einigen Jahren mit der Konstruktion von Aufgaben, die nach einem Kompetenzmodell entwickelt wurden. Die Ergebnisse der vergangenen Arbeit werden in dem Projekt Kompetenzdiagnose der Forschergruppe und in drei Projekten eines Schwerpunktprogramms der DFG weitergeführt. Unter anderem wird hier die Entwicklung von standardisierten Aufgaben verfolgt, so dass sich die Zusammenarbeit mit dem IQB in die bereits laufenden Projekte integrieren lässt.  
Als Folge des schlechten Abschneidens der deutschen Schüler und Schülerinnen in internationalen Vergleichstest wie PISA und TIMMS wurde eine Reihe von Maßnahmen ergriffen, die den Bildungsstandard an deutschen Schulen verbessern soll. Neben der Veröffentlichung von nationalen Bildungsstandards im Jahr 2003 durch die Kultusministerkonferenz war die Gründung des (IQB) 2004 an der Humboldt- Universität in Berlin ein wichtiger Schritt zur Qualitätsverbesserung des deutschen Bildungswesens. Das IQB hat das Ziel, nationale Bildungsstandards weiterzuentwickeln, sie zu normieren, ihre Erreichung zu überprüfen und ihre Implementation wissenschaftlich zu begleiten. Neben der Festlegung der Kompetenzen, die Schüler zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht haben sollen, werden im IQB für die verschiedenen Unterrichtsfächer sowohl große Aufgabensammlungen erstellt, um die Bildungsstandards zu operationalisieren, als auch Vergleichsaufgaben entwickelt, die dazu geeignet sind, die erworbenen Kompetenzen der Schüler zu erfassen. So ist das IQB u.a. verantwortlich für die parallel zu den internationalen Vergleichstests in der Sekundarstufe I (PISA) nationale Tests zum Ländervergleich durchzuführen. Im Jahr 2012 ist ein solcher Vergleichstest für die Fächer Mathematik, Biologie, Chemie und Physik geplant.

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Instructional design and learning outcomes

The study “Instructional design and learning outcomes in physics education,” which is part of the German Research Foundation’s Priority Program “Educational Quality,” explores aspects of instructional design in physics classes in grades 8 and 9 of the Gymnasium (academic-track secondary school) over a total of three six-month periods in six school classes.   At the student level, data is gathered on educational achievements and attitudes, with the goal of deriving conclusions about the effectiveness of teaching.   At the teacher level, data is gathered on selected concepts used to guide teaching activities, with the goal of developing theories about how physics lessons come into being.   This multi-level approach is based on a model that differentiates between two distinct levels of studying instruction: deep structures and surface structures. These levels in turn establish a causal relationship between students and teachers as two levels of investigation.   At all levels, data is compiled through achievement tests, attitude tests, and video recording of sessions, which are interconnected to produce validated cumulative findings.   The total sample shows student performance levels in line with the average achievement levels found for students of German Gymnasiums (compared with the TIMSS results from 1995).   The data on surface structure coding reveals two different types of instruction for the classes studied, which can be designated “teacher-centered instruction with demonstration experiments” and “student-oriented elaboration with experimental group tasks”.   The types of instruction differ above all with regard to the differing degrees of “student orientation,” and those classes that show a higher degree of student orientation also show higher performance levels.   The data on deep structure coding, however, does not reveal such a clear distinction between types of instruction, and an even less clear relation to performance.   With deep structures, a distinction can be made between “fact-orientation” and “action-orientation”.   We find that only in an extremely limited number of cases do teachers apply relevant educational aims for natural science teaching together with the corresponding subject matter and teaching activities.   Indeed, we find that teachers place surprisingly little emphasis on realizing the educational aim of “problem solving” and “concept change”, which thus presents a contradiction to the didactic goals of classroom teaching methodology and the expressed goals of those teachers participating.   

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The study was both planned and carried out by Dr. Thomas Reyer, who also coordinated the work with the teachers in the participating schools. We are particularly grateful to Hans Erdbrügger and Rolf Podzielny (Phoenix Gymnsaium Dortmund) as well as Axel Bongardt, Rainer Deeken, Uli Möllenkamp and Udo Wlotzka (Helene Lange Gymnasium Dortmund) for their support.

 

Lab of Tomorrow (LOT)

The EU project “Lab of Tomorrow” brings together participants from Austria, Italy, Great Britain, Greece, and Germany with the goal of integrating findings from research on instruction and learning in the natural sciences with innovations from technical fields.   By establishing as wide a variety of connections as possible between natural science phenomena and the everyday experiences of students, learning processes are taken beyond the confines of the classroom environment. 

In doing so these learning processes can be understood in a more comprehensive sense, modeled on the “scientific literacy” concept of the PISA study.   The experiments carried out with students at the beginning of stage 2 of secondary school in the subjects of mathematics and mechanics are based on the electronic recording of selected values, and the use of smaller, programmable computer-assisted units known as “axions” (new technology, NT).   These axions are sewn into clothing or affixed to toys, where they record values transmitted by way of radio signals to a base station.   Particular tasks are employed to encourage communication among students, both within the school group and in international dialogue.   The project is part of the EU Priority Program “School of Tomorrow,” which has the goal of creating a more diverse and comprehensive range of learning opportunities and of evaluating these opportunities.   As the leader of the component of LOT dealing with physics education, Dr. Rüdiger Tiemann was in charge of conceptualizing and coordinating the work with the schools, planning and carrying out the teacher training, and evaluating the project’s outcomes.   This project would also not have been possible without the support of schools: we are particularly grateful to Thomas Daub and Dennis Draxler (Phoenix Gymnsaium Dortmund) as well as Uli Möllenkamp and Udo Wlotzka (Helene Lange Gymnasium Dortmund) for their participation.

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Externally funded research projects (1991-2004)

1991–1993 Member of the German Research Foundation (DFG) Research Unit “Interdisziplinäre Kognitionsforschung” (Interdisciplinary Cognitive Research) and co-applicant of Stefan von Aufschnaiter for funding, in cooperation with neurobiologists (Flohr, Roth), psychologists (Scheerer, Stadler), and theoretical physicists (Schwegler, Carmesin).   (€1,000,000 total, € 50,000 for the Institute for Physics Education in Bremen).   

1993–1996 “Learning processes of students studying physics at the university level”: Focusing on third- and fourth-semester students, the study investigated, i.a., the effects of attitudes towards learning outcomes (€20,000).   

1995–1999 A DFG project was conducted studying the correlations between motivation and interest of students in stage 1 of secondary education in the subject of physics and their learning behavior during physics class.   Cooperation with St. v. Aufschnaiter, Institute of Physics Education, Bremen. 

The project concluded with Michaela Horstendahl’s dissertation: “Horstendahl, M. (2000). Motivationale Orientierungen im Physikunterricht (Motivational Orientations in Physics Instruction). Logos, Berlin.” (€100,000 total, €50,000 for the Institute for Physics Education in Dortmund).   

1995–1998 “Improving science education: issues and research on innovative empirical and computer-based approaches to labwork in Europe”.   European Commission (TSER Programme; Framework 4): The contextual framework for experimental labwork in schools and universities in Denmark, Germany, England, France, Greece and Italy.   Cooperation with the Institute of Physics Education, Bremen (St. v. Aufschnaiter, H. Niedderer). 

This Dortmund project was concluded with Lorenz Hucke’s doctoral dissertation, entitled: “Hucke, L. (2000). Handlungsregulation und Wissenserwerb in traditionellen und computergestützten Experimenten des physikalischen Praktikums (Regulation of action and knowledge acquisition in traditional and computer-assisted experiments in the physics laboratory). Berlin: Logos.” (€1,300,000 total, €100,000 for Dortmund).   

1999–2001 In the Bertelsmann University Network “Lehrerausbildung und neue Medien” (Teacher Training and New Media), multimedia tools and learning environments for schools and universities were developed and evaluated.   A mobile PC lab, “edoLAB,” was designed in Dortmund with Bertelsmann and university funding, several of which have already been built.   The use of this lab in schools has been evaluated in the framework of national studies. (€30,000 was granted to Dortmund and an additional €25,000 as development support to the University of Dortmund).   

2000–2004 DFG Priority Program “Bildungsqualität im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht” (Educational quality in math and natural science instruction). In cooperation with Prof. Dr. Wilfried Bos (University of Hamburg), this project studied the lesson design and learning success in physics class. It identified teachers’ concepts about teaching and learning physics, how these were manifested in classroom instruction, and how they influenced students’ learning outcomes (€2,000,000 total, €150,000 to Dortmund).   

2001–2004 Design und evaluation of the didactic framework for technical developments and instruction in the EU project “Lab of Tomorrow,” which was part of the EU program “School of Tomorrow”. The consortium included companies, universities, and schools from five countries. Its goal was to integrate professional measuring instruments, wireless transmission, and data processing into physics instruction. The pedagogical concept took as its point of orientation the tasks designed for the PISA study (scientific literacy) and “situated learning”. (€1,500,000 total, €450,000 to Dortmund and Essen).   

Since October 2003 Research Unit (FG) “Natural Science Instruction” together with the Research Training Group (GK) at the Essen branch of the University of Duisburg-Essen: Member and Speaker of the Research Unit. The DFG is funding the FG/GK combination here for the first time as a pilot project (approximately €700,000 per year for a maximum of 8 years to Essen, and 9 years for the GK).

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