KTSO-A: KONZEPTTEST-STRAHLENOPTIK – ABBILDUNGEN. Entwicklung eines Konzepttests zur Erfassung von Konzepten der Lichtausbreitung, Streuung und der Entstehung reeller Bilder im Bereich der Strahlenoptik

Abstract

ABSTRACT

Hintergrund: Die Erfassung von konzeptuellem Wissen und Verständnis ist ein Thema, das sowohl in zahlreichen phy-sikdidaktischen Forschungsarbeiten als auch für die Diagnose des Kenntnisstands von Schülerinnen und Schülern im Un-terrichtskontext relevant ist. Für den Bereich der Strahlenoptik liegt zwar seit Jahrzehnten eine breite Wissensbasis zu konzeptionellen Lernschwierigkeiten und Schülervorstellungen und darauf basierenden Items vor, sowie auch verschie-dene Tests, die jedoch nur ansatzweise psychometrisch charakterisiert und validiert sind.

Ziel: Aus diesem Grund wurde im Rahmen einer Interventionsstudie im Physikunterricht der Sekundarstufe I ein Kon-zepttest zu den Teilbereichen Lichtausbreitung, Bildentstehung und Strahlenmodell/Bildkonstruktion im Kontext des Lerngegenstandes „Abbildung bei Sammellinse“ entwickelt (Konzept-Test Strahlenoptik: Optische Abbildungen – KTSO-A).

Stichprobe: Das Testinstrument (bestehend aus 10 Items) wurde in zwei Teilstichproben von Schülerinnen und Schülern (n = 389 und n = 480) der Sekundarstufe I erprobt.

Methode: Die Itemkonstruktion basiert auf Forschungsergebnissen empirischer Studien und lässt sich als theorie- und empiriegeleitetes Vorgehen beschreiben. Neben der Berechnung üblicher Test- und Itemkennwerte (Itemschwierigkeiten, Trennschärfen, Reliabilität) wurden im Rahmen einer Kreuzvalidierung die Methoden der exploratorischen und konfir-matorische Faktorenanalysen kombiniert und zudem ein Expertenrating umgesetzt.

Ergebnisse: Die Kennwerte des Tests (Itemschwierigkeiten, Trennschärfen, Reliabilität) für die beiden Stichproben durchwegs bzw. größtenteils in den in der Testtheorie üblichen Akzeptanzbereichen. Abweichungen davon, Unterschiede zwischen den Stichproben und Details auf Item- und Distraktorebene, lassen sich und unter Bezug auf die vorliegende Forschung zu Konzepttests sinnvoll interpretieren. Die inhaltliche und curriculare Validität des Tests wurde in einem Ex-pertenrating als hoch eingestuft. Mittels des Verfahrens der Kreuzvalidierung (exploratorische und konfirmatorische Fak-torenanalyse) wurde die Dimensionalität des Tests untersucht. Die Analyse zeigt eine dreidimensionale Struktur mit ak-zeptablen bis guten Kennwerten auf (gute Fit-Indizes: Chi²(32) 44.13, p = 0.075; CFI = 0.98; TLI = 0.98, jedoch teilweise niedrige Faktorladungen) und ermöglicht eine plausible inhaltliche Deutung in folgenden Teildimensionen: Bildentste-hung, geradlinige Lichtausbreitung und Streuung sowie Verständnis des Strahlenmodells und der Bildkonstruktion.

Diskussion und Relevanz: Die Gesamteinschätzung des vorgestellten Tests wird im Hinblick auf den Stand der Entwick-lung von Konzept-Tests in anderen Bereichen und dabei bekannte Begrenzungen und Schwierigkeiten bezüglich Validi-tät, Reliabilität und Strukturaufklärung ausführlich diskutiert. Die psychometrischen Eigenschaften des KTSO-A können im Vergleich mit dem Entwicklungsstand von Konzepttests im Allgemeinen als akzeptabel bis gut eingeschätzt werden. Darüber hinaus werden einige mögliche Perspektiven für künftige Weiterentwicklungen diskutiert.
Der Wert des vorgestellten Konzept-Tests sehen wir darin, dass er für einen inhaltlich und curricular wohldefinierten Be-reich eine praktikable und nach gängiger Forschungspraxis im Feld psychometrisch adäquate Testfassung bereitstellt, die für Forschungszwecke und zur unterrichtlichen Diagnostik eingesetzt werden kann.

ABSTRACT

Background: Detecting conceptual knowledge is both relevant for research in the field of physics education as well as for the diagnosis of students’ level of knowledge in physics classrooms. A number of several concept inventories have been developed for various domains of physics, such as mechanics, heat, electricity or astronomy. There can be obtained test instruments for the domain of ray optics, as well. However, these inventories were only partially psychometrically validated.

Purpose: For this reason, an inventory (KTSO-A Konzepttest Strahlenoptik-Abbildungen / Concept Inventory Ray Optics – Imaging), was created detecting conceptions in the domains of light propagation, image formation and understanding ray diagrams in the context of imaging via convex lens.

Sample: The developed inventory consisting of 10 items was investigated based on two samples of students in the 7th and 8th grade at secondary schools in Rhineland-Palatinate (n = 389 and n = 480).

Methods: The outlined instrument is based on a well-known body of results on students’ difficulties with learning optics and related intuitive conceptions reported for this domain.

Results: An item analysis revealed that the inventory tasks allow us to gather students’ knowledge and understanding with a satisfactory discriminatory power and reliability. In order to investigate the dimensionality of the test, exploratory and confirmatory factor analyses were carried out. Results of this analysis (Chi²(32) 44.13, p = 0.075; CFI = 0.98; TLI = 0.98, RMSEA = 0.05; SRMR = 0.03) indicate that there are three clearly interpretable subdimensions: understanding image for-mation, conceptions of linear light propagation and scattering as well as understanding ray diagrams.

Conclusion: In accordance with psychometric standards, the presented test version can be already used both in science education research and classrooms at schools. Finally, some prospects for future improvements of the presented inventory are outlined.