Wie Eye Tracking in die disziplinäre Lehrforschung einfließen kann

Dr. Jessica VandenPlas untersucht, wie die Eye Tracking-Forschung dazu beiträgt, die Art und Weise, wie Schüler chemische Konzepte lernen, besser zu verstehen und die Lehrmethoden zu verbessern.

Die disziplinbezogene Lehrforschung wendet die Grundsätze der Psychologie auf bestimmte Disziplinen an, um zu untersuchen, wie Individuen die Konzepte und Fähigkeiten der jeweiligen Disziplin erlernen. Dazu gehören MINT-Fächer wie Chemie, Physik und Mathematik, aber auch geisteswissenschaftliche Fächer wie Geschichte. Der Bereich der Lehrforschung in der Chemie (CER) konzentriert sich darauf, wie Schüler die Chemie verstehen, welche Schwierigkeiten sie beim Erlernen der Chemie haben, und versucht, den Unterricht zu verbessern, um die Chemie zugänglicher zu machen.

Die Kämpfe der Studenten

Das Hauptproblem, mit dem Chemielernende konfrontiert sind, ist die nicht greifbare Natur des Fachs. Die Chemie konzentriert sich auf die Wechselwirkungen von Atomen und Molekülen, die zu klein sind, um sie mit bloßem Auge zu sehen, und daher haben die Schüler keine realen Erfahrungen mit diesen Phänomenen. Alex Johnstone weist darauf hin, dass das Erlernen der Chemie schwierig ist, weil sie auf drei Ebenen verstanden werden muss: die submikroskopische (oder partikuläre) Ebene der Atome und Moleküle, die makroskopische Ebene der alltäglichen Phänomene, die tatsächlich beobachtet werden können, und die symbolische Ebene der Gleichungen und Darstellungen, die wir verwenden, um uns diese Ideen gegenseitig zu vermitteln. Erfahrene Chemiker sind in der Lage, diese drei Ebenen nahtlos zu integrieren, während es Anfängern schwer fällt, diese Verbindungen herzustellen. Insbesondere stellen wir häufig fest, dass mathematisch begabte Schüler in der Chemie erfolgreich sein können, ohne die Konzepte zu verstehen, weil sie in der Lage sind, Algorithmen und Heuristiken zur Lösung von Problemen zu verwenden, ohne ihr mathematisches Verständnis jemals mit den Ursachen auf der Partikelebene oder den realen makroskopischen Auswirkungen zu verbinden. Um dem entgegenzuwirken, schlugen die Forscher vor, Diagramme der Partikelebene in den Unterricht einzubeziehen, um den Schülern diese submikroskopische Ebene konkreter zu veranschaulichen. Dies hat zu einem Boom bei der Verwendung von Visualisierungen in der Chemie geführt, die nicht nur statische Bilder, sondern auch Animationen und Simulationen umfassen, um den Unterricht und das konzeptionelle Verständnis der Schüler zu verbessern.

Da die symbolische Ebene in der Chemie so weit verbreitet ist, konzentriert sich das Fach seit langem auf die Untersuchung der Interaktionen von Schülern mit Visualisierungen in Lehrmaterialien wie Lehrbüchern, Online-Hausaufgabensystemen und elektronischen Ressourcen wie Animationen und Simulationen. Forscher in der Chemie-Lehrforschung untersuchen auch weniger visuell ausgerichtete Bereiche, darunter Problemlösestrategien der Schüler, konzeptionelles Verständnis und die Auswirkungen affektiver Bereiche wie Selbstwirksamkeit und Motivation auf den Erfolg der Schüler.

Der Einsatz von Eye Tracking in der chemischen Lehrforschung

Um diese Fragen zu untersuchen, greift die CER häufig auf Forschungsmethoden aus der Psychologie und anderen Sozialwissenschaften zurück. In der Vergangenheit wurden diese Forschungsfragen mit weniger direkten Mitteln wie Interviews, Umfragen, Beobachtungsprotokollen oder Leistungstests beantwortet. Die Einführung von Eye Tracking hat direktere, quantitative Messungen des Schülerverhaltens ermöglicht und in den letzten zehn Jahren eine breite Anwendung in der CER gefunden. Eye Tracking eignet sich besonders für die Untersuchung der Nutzung von Visualisierungen und Unterrichtsmaterialien durch Schüler, wurde aber auch zur Untersuchung von Themen wie Problemlösungspraktiken eingesetzt.

Eine der ersten Anwendungen von Eye Tracking im Bereich der CER war meine eigene Forschung darüber, wie Schüler Animationen von Partikelinteraktionen sehen , im Vergleich dazu, wie Experten dieselben Animationen sehen. Frühere Literatur, die sich auf Leistungstests für Schüler und Interviewprotokolle stützte, hatte gezeigt, dass diese Animationen die Leistungen der Schüler im Klassenzimmer nicht verbesserten, obwohl Experten (Lehrer im Klassenzimmer) ihre Verwendung zum Verständnis der Partikelbewegung und -interaktion anregten. Eye Tracking ermöglichte es uns zu untersuchen, woher diese Diskrepanz kam, und konnte den Lehrern im Klassenzimmer zeigen, dass ihre Schüler buchstäblich nicht das sahen, was die Experten selbst sahen - sie konzentrierten sich auf den völlig falschen Bereich der Animationen. Mithilfe der Eye Tracking-Technologie konnten wir dieses Problem lösen, indem wir kleine Änderungen an den Animationen testeten, z. B. die Hervorhebung interessanter Partikel, um die visuelle Aufmerksamkeit zu erregen und die Leistungen der Schüler und ihr konzeptionelles Verständnis zu verbessern.

Seitdem wurde Eye Tracking eingesetzt, um eine Reihe anderer Visualisierungen im Chemieunterricht zu untersuchen. In einem aktuellen Projekt von Herrington et al. wurde untersucht, wie Schüler mit Simulationen interagieren, die es ihnen ermöglichen, Variablen zu verändern und die partikulären und makroskopischen Ergebnisse dieser Veränderungen zu beobachten. Diese Studie zeigte, dass Schüler ohne Unterstützung und Anleitung die ihnen zur Verfügung gestellten Ressourcen auf Partikelebene nicht nutzen und sich stattdessen auf die Beantwortung von Fragen unter Verwendung von Vorwissen und algorithmischem Denken konzentrieren.

Stieff et al. untersuchten die Nutzung von Mehrfachdarstellungen durch Schüler und zeigten eine Aufteilung der Aufmerksamkeit zwischen verschiedenen Visualisierungen sowie eine Vorliebe der Schüler für visuell-räumliche Darstellungen gegenüber mathematischen Darstellungen. Dies wird durch die Arbeit von Williamson et al. ergänzt, die gezeigt haben, dass Schüler, denen mehrere Darstellungen zur Lösung von Problemen vorgelegt werden, nur die bekannteste verwenden und nützlichere Darstellungen zugunsten einfacherer Darstellungen ignorieren.

Eye Tracking bei der Untersuchung des Problemlösungsverhaltens von Schülern

Bei der Untersuchung des Problemlösungsverhaltens von Schülern haben viele Forscher auch Eye Tracking eingesetzt, um zu sehen, wie Schüler mit visuellen Daten, z. B. chemischen Spektren, umgehen. Cullipher et al. zeigten, dass Anfänger und Experten diese Spektren unterschiedlich lesen, was den Lehrkräften Anregungen gibt, wie sie angehenden Chemikern diese wichtige Fähigkeit am besten vermitteln können. Cortes et al. untersuchten in ähnlicher Weise, wie Schüler Bilder mit komplizierten biochemischen Abläufen lesen und wie sie in diesen Abläufen Informationen finden, um Fragen zu beantworten. Dies hilft uns, das Problemlösungsverhalten auf eine Art und Weise zu verstehen, wie es bei Befragungen nicht möglich ist, und ermöglicht uns, in Echtzeit zu sehen, was die Benutzer tun.

Im Allgemeinen wurde Eye Tracking eingesetzt, um zu untersuchen, wie Schüler Wortaufgaben und Multiple-Choice-Aufgaben lesen und darauf reagieren . Während Eye Tracking in anderen Bereichen bereits häufig zur Untersuchung des Leseverhaltens eingesetzt wurde, geben diese Studien Lehrkräften und Testentwicklern Aufschluss darüber, wie Testaufgaben am besten formuliert werden können, um das Wissen der Schüler im Fach Chemie zu testen, ohne die kognitiven Ressourcen der Schüler zu überlasten.

Insgesamt hat sich Eye Tracking als äußerst nützlich für die Lehrforschung in der Chemie erwiesen, da es das Verhalten der Schüler auf eine Weise quantifiziert, die mit früheren Methoden nicht möglich war. Dies hat uns dabei geholfen, die Gestaltung von Unterrichtsmaterialien wie Animationen und Simulationen zu verbessern, sowie die Art und Weise, wie wir Schülern beibringen, Probleme mithilfe von Visualisierungen wie Spektren und biochemischen Pfaden zu lösen. Während die DBER-Forschung unglaublich anwendungsorientiert ist, sind die Ergebnisse dieser Studien einzigartig in den untersuchten Bereichen und sprechen die Praktiker in diesen Bereichen deutlicher an. Eye Tracking hat den Vorteil, dass es quantitative Daten liefert, die die Sprache der MINT-Fachleute sprechen, und nicht nur qualitative Analysen. Diese quantitativen Ergebnisse sind den MINT-Fachleuten vertrauter, was die Hürde für die Akzeptanz der Ergebnisse senkt. Für DBER-Forscher, die sich für die Nutzung von Lehrmaterialien durch Schüler interessieren, insbesondere in visuell anspruchsvollen Fächern wie der Chemie, ist Eye Tracking hervorragend geeignet, um Daten zur Verbesserung des Unterrichts zu liefern. DBER-Forscher, die mehr über die Verwendung dieses nützlichen Instruments wissen möchten, sollten sich einen aktuellen Überblick verschaffen.