Entwicklung eines Messintruments "Verständnis von Graphen"

Dieses Projekt fokussiert auf die Untersuchung des Verständnisses von Graphen von Universitätsstudierenden. Graphen sind ein wichtiges und universelles Werkzeug, aber die Ergebnisse aus mathematik- und physikdidaktischer Forschung belegen eindrucksvoll, dass Studierende im traditionellen Unterricht nur ein unzureichendes Verständnis von Graphen entwickeln. Das Forschungsvorhaben wird in zwei Populationen durchgeführt: Erstsemestrige Physikstudierende der Universitäten Wien, Österreich und Zagreb, Kroatien. Die in diesen Populationen auftretenden Lernschwierigkeiten werden analysiert und verglichen. Zunächst wird ein bestehendes Messinstrument, das in der Arbeitsgruppe für Physikdidaktik der Universität Zagreb entwickelt wurde, eingesetzt. Es besteht aus je 8 Items aus mathematischen, kinematischen und anderen Kontexten (insgesamt 12 Multiple-Choice-Items und 12 Items mit offenem Antwortformat). Wie eigene Vorarbeiten zeigen, handelt es sich dabei um ein valides und reliables Messinstrument. Sein Einsatz bei Studierenden des ersten und zweiten Studienjahrs in Zagreb erlaubte es, deren Lernschwierigkeiten zu diagnostizieren und den Einfluss der verschiedenen Kontexte aufzudecken. Dieses Instrument wird nun in Wien weiter entwickelt: Anhand von der Antworten von österreichischen Studierenden bei den Testitems und anhand von parallel durchgeführten halbstrukturierten Interviews wird ein neuer Test mit zweistufigen Items entwickelt. Dieses neu entwickelte Instrument wird anschließend mit ca. 650 Studierenden in Zagreb und Wien eingesetzt und Rasch-skaliert. Zusätzlich werden Daten von 100 Studierenden der FU Berlin und der Universität Ljubljana erhoben. Das Ziel besteht darin, ein neues Instrument vorzulegen, mit dem Hochschullehrende schnell die Lernschwierigkeiten von Studierenden beim Umgang mit Graphen diagnostizieren können. Es soll auch verwendet werden, um Entwicklungen feststellen zu können, z. B. in Prä-Post-Designs. Es wird schneller einsetz- und analysierbar sein als bestehende Testinstrumente und gleichzeitig Einblicke in das Verständnis von Studierenden erlauben. Das ermöglicht es, die Hochschullehre zu diesem Thema effizienter zu gestalten. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts werdenunter OpenAccess veröffentlicht und auf verschiedenen physikdidaktischen internationalen Konferenzen präsentiert.

Wissenschaftliche Daten werden oft in Form von Graphen dargestellt. So können wichtige Eigenschaften wie Trends oder Änderungen schnell erkannt werden. Junge Menschen erlernen den Umgang mit Graphen in verschiedenen Schulfächern, vor allem aber in Mathematik und Physik. Das Hauptziel des Projektes Entwicklung eines Messinstruments zum Verständnis von Graphen war zum einen, den Wissenstand über Graphen von Erstsemestrigen zu untersuchen und ihre Schwierigkeiten im Umgang mit Steigungen bzw. mit Flächen unter Graphen zu erheben und mit Populationen aus anderen Ländern zu vergleichen. Andererseits ging es darum, ein zweistufiges Diagnoseinstrument zum Verständnis von Graphen zu entwickeln. In der ersten Phase des Projekts wurde dazu ein bestehendes Instrument zum Verständnis von Graphen von 417 Studierenden der Universität Wien bzw. 74 Studierende der Universität Zagreb bearbeitet. Darin mussten 24 Fragen bearbeitet und begründet werden. Die Ergebnisse dieser Tests wurden mit älteren Ergebnissen aus Zagreb verglichen. Die Schwierigkeiten in den verschiedenen Bereichen des Tests waren dabei sehr ähnlich. Die Daten zeigten nur geringe Unterschiede zwischen den beiden Gruppen. Die Rasch-Analyse zeigte Stabilität und Zuverlässigkeit des Instruments.In der zweiten Phase des Projekts wurde ein zweistufiges Instrument entwickelt, um das Verständnis von Graphen zu messen. Dazu wurden 24 zweistufige Fragen zur Steigung von bzw. zur Fläche unter Graphen in mathematischen, physikalischen und außerphysikalischen Kontexten entwickelt. Die erste Stufe jeder Frage testet dabei verschiedene Fähigkeiten (z.B. die Fähigkeit, Steigungen zweier Graphen zu vergleichen). Die zweite Stufe fragt nacheiner Erklärung. Dieser Test wurde mit 438 Studierenden der Universität Wien und 158 Studierenden der Universität Zagreb erprobt. Mit diesem Instrument ist nun relativ einfach und in kurzer Zeit Einblick in Schwierigkeiten von Lernenden im Umgang mit Graphen und die zugrunde liegenden Argumentationen erhalten werden. Dieser Einblick wird nun im Folgenden dazu genutzt werden, Unterrichtsmaterialien zu Graphen zu entwickeln und zu erproben und so das Lehrangebot zu verbessern.