Model comptences in chemistry and biology lessons - what skills do teachers need? A systematic literature review; Modellkompetenzen im Chemie- und Biologieunterricht - welche Fähigkeiten brauchen Lehrkräfte? Ein systematisches Literaturreview

Benjamin Johannes Tempel, Christoph Randler, Markus Rehm, Markus Wilhelm

Abstract


The term "model competence" describes the ability to use modeling as well as models as a part of gaining scientific knowledge (Krell, Reinisch & Krüger, 2014). Models are characterized by a pragmatic depiction and shortening of originals (see Stachowiak, 1973, 131 ff.). But models can also be representation of mental or mathematical constructs, such as e.g. atom models. Altough model competences plays a key role in chemistry and biology education, students and teachers show significant shortcomings here (Krell et al., 2014; van Driel & Verloop, 1999). Most recently, the learning effectiveness of teaching with the aim of acquiring model competence (student level, see, eg, Krell et al., 2014) as well as the necessary PCK skills in teaching (teacher level, cf. Van Driel & Jong, 2015) are focused as a desideratum of didactic research. Moreover, it is largely unkown which skills are particularly improtant for effectively teaching model comptencies to teachers. Based on the term "model comptence" in Upmeier zu Belzen and Krüger (2010, p. 49), this article presents a systematic review in which 543 english and german articles from the literature databases FIS-Bildung and Scopus are analysed. Our aim was to find skills for teaching model comptence in chemistry and biology lessons in the form of structural diagrams using a qualitative frequency analysis. As a result, statements on cross-school and subject-specific skills for teaching model comptence are presented and discussed.

Der Terminus „Modellkompetenz“ umschreibt die Fähigkeit, das Modellieren sowie Modelle als Mittel der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung nutzen zu können (Krell, Reinisch & Krüger, 2014). Modelle zeichnen sich durch pragmatische Abbildung und Verkürzung von Originalen aus (vgl. Stachowiak, 1973, 131 ff.). Modelle können aber auch Repräsentationen mentaler bzw. mathematischer Konstrukte sein, wie z. B. Atommodelle. Obwohl Modellkompetenz eine entscheidende Stellung im Chemie- und Biologieunterricht einnimmt, existieren erhebliche Defizite sowohl bei Schülern als auch bei Lehrkräften (Krell et al., 2014; van Driel & Verloop, 1999). In jüngster Zeit wird vor allem auf die Lernwirksamkeit von Unterricht mit dem Ziel des Erwerbs von Modellkompetenz (Schülerebene, vgl. z. B. Krell et al., 2014) sowie auf die hierzu erforderlichen fachdidaktischen Fähigkeiten der Lehrkräfte (Lehrerebene, vgl. z. B. van Driel & Jong, 2015) als ein Desiderat fachdidaktischer Forschung hingewiesen. Darüber hinaus ist weitgehend unbekannt, welche Fähigkeiten zur effektiven Vermittlung von Modellkompetenz für Lehrkräfte besonders wichtig sind. Ausgehend vom Begriff der „Modellkompetenz“ bei Upmeier zu Belzen und Krüger (2010, S. 49) wird im vorliegenden Artikel ein systematisches Literaturreview vorgestellt, in dem 543 englisch- und deutschsprachige Artikel der Literaturdatenbanken FIS-Bildung und Scopus auf Fähigkeiten zur Vermittlung von Modellkompetenz im Chemie- und Biologieunterricht mittels einer qualitativen Frequenzanalyse untersucht wurden. Als Ergebnis werden Aussagen über schulfachübergreifende und schulfachspezifische Fähigkeiten zur Vermittlung von Modellkompetenz in Form von Strukturdiagrammen präsentiert und diskutiert.


Keywords


Lehrkompetenz; Modellkompetenz; systematisches Literaturreview; qualiative Frequenzanalyse

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References


Bauernschuster, J., Tobias, V., Waltner, C. & Wiesner, H. (2010). Dynamischer Mechanikunterricht - Die Umsetzung des Konzeptes durch die Lehrkräfte. PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung, 1-6.

Beerenwinkel, A. & Parchmann, I. (2008). Metadiskussionen über Modelle. Historische Aspekte als Impuls. Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule, 57 (4), 13-16.

Bindernagel, J. A. & Eilks, I. (2009a). Der "Roadmap"-Ansatz zur Beschreibung und Entwicklung des Pedagogical Con-tent Knowledge von Lehrkräften zum Teilchenkonzept. In D. Höttecke (Hrsg.), Chemie- und Physikdidaktik für die Lehramtsausbildung. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik. Jahrestagung in Schwäbisch Gmünd 2008 (Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik#Bd, #29; Jahrestagung / Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik. 2008, S. 161-163). Münster: Lit Verl.

Bindernagel, J. A. & Eilks, I. (2009b). Evaluating roadmaps to portray and develop chemistry teachers’ PCK about cur-ricular structures concerning sub-microscopic models. Chemistry Education Research and Practice, 10 (2), 77-85. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-69349104760&partnerID=40&md5=2606a3d6caac72b228a7a01ff8833a38

Blum, W. (2006). Modellierungsaufgaben im Mathematikunterricht - Herausforderung für Schüler und Lehrer. In A. Büchter, H. Humenberger, S. Hußmann, S. Prediger & H.-W. Henn (Hrsg.), Realitätsnaher Mathematikunterricht - Vom Fach aus und für die Praxis. Festschrift für Hans-Wolfgang Henn zum 60. Geburtstag (S. 8-23). Hildesheim [u.a.]: Franzbecker.

Cohen, R. & Yarden, A. (2009). Experienced junior-high-school teachers’ PCK in light of a curriculum change: ’The cell is to be studied longitudinally’. Research in Science Education, 39 (1), 131-155. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-58549086117&partnerID=40&md5=fc0da4ce3852d452e8d3260623deae82

Coll, R. K. & Treagust, D. F. (2003). Investigation of secondary school, undergraduate, and graduate learners' mental models of ionic bonding. Journal of Research in Science Teaching, 40 (5), 464-486.

Crawford, B. A. & Cullin, M. J. (2004). Supporting prospective teachers’ conceptions of modelling in science. Interna-tional Journal of Science Education, 26 (11), 1379-1401. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-10244266282&partnerID=40&md5=5fdb2254cd80342cd59462505a1fc558

Depaepe, F., Verschaffel, L. & Kelchtermans, G. (2013). Pedagogical content knowledge: A systematic review of the way in which the concept has pervaded mathematics educational research. Teaching and Teacher Education, 34, 12-25.

Duit, R. H. & Treagust, D. F. (2012). Conceptual Change: Still a Powerful Framework for Improving the Practice of Sci-ence Instruction. In K. C. D. Tan & M. Kim (Hrsg.), Issues and challenges in science education research. Moving forward (S. 43-54). Dordrecht: Springer.

Eilks, I., Witteck, T. & Pietzner, V. (2009). Using Multimedia Learning Aids from the Internet for Teaching Chemistry. Not as Easy as it Seems? Multiple Literacy and Science Education: ICTs in Formal and Informal Learning Environ-ments, 49-69. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84900179882&partnerID=40&md5=f156ec31a1799fd66c6d005524b63f85

Garritz, A. (2010). Science education in an uncertain and briskly changing society [La enseñanza de la ciencia en una so-ciedad con incertidumbre y cambios acelerados]. Ensenanza de las Ciencias, 28 (3), 315-326. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84877829087&partnerID=40&md5=0e09628dadc2c7221b9e1c6cd8b82dda

Glynn, S. M. (1991). Explaining science concepts: a Teaching-with-Analogies Model. In S. M. Glynn, R. H. Yeany & B. K. Britton (Hrsg.), The Psychology of learning science (S. 219-240). Hillsdale, N.J.: L. Erlbaum Associates.

Hammer, H. O. (1988). Symbole fuer Koordinationsverbindungen. Naturwissenschaften im Unterricht. Physik, Chemie (35), 34-38.

Harrison, A. & Jong, O. de. (2005). Using multiple analogies: Case study of a chemistry teacher’s preparations, presenta-tions and reflections. Research and the Quality of Science Education. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-59149088073&partnerID=40&md5=e405f4a270a4b421d7ac83303b061b2e

Henze, I., van Driel, J. H. & Verloop, N. (2007). Science teachers’ knowledge about teaching models and modelling in the context of a New Syllabus on Public understanding of science. Research in Science Education, 37 (2), 99-122. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-33947723272&partnerID=40&md5=5c0c92f513d29cd1517d97b3b8d9f7df

Herget, F. (2014). Beiträge der Conceptual Change-Theorie und der Erforschung von Problemlöseprozessen zum Erstel-len von Lernaufgaben. RPZ Impulse - Zeitschrift des Religionspädagogischen Zentrums in Bayern, München, 1-23.

Howe, C., Tolmie, A., Greer, K. & Mackenzie, M. (1995). Peer Collaboration and Conceptual Growth in Physics. Task Influences on Children's Understanding of Heating and Cooling. Cognition and Instruction, 13 (4), 483-503.

Johnstone, A. H. (1991). Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of Computer As-sisted Learning, 7 (2), 75-83.

Justi, R. & van Driel, J. H. (2005). The development of science teachers’ knowledge on models and modelling: Promot-ing, characterizing, and understanding the process. International Journal of Science Education, 27 (5), 549-573. Ver-fügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-18644383013&partnerID=40&md5=b5ed59b4a5af76a68549c555725a7d64

Jüttner, M. & Neuhaus, B. J. (2012). Development of Items for a Pedagogical Content Knowledge Test Based on Empiri-cal Analysis of Pupils’ Errors. International Journal of Science Education, 34 (7), 1125-1143. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84860762052&partnerID=40&md5=6ec864b54f06bf3d264c01d097edb59f

Kersting, N. B., Givvin, K. B., Thompson, B. J., Santagata, R. & Stigler, J. W. (2012). Measuring Usable Knowledge: Teachers' Analyses of Mathematics Classroom Videos Predict Teaching Quality and Student Learning. American Educational Research Journal, 49, 568-589.

Klinger, W. (2001). Bedeutung und Möglichkeiten der Veranschaulichung im Bereich der Physik. In J. Forster & U. Krebs (Hrsg.), Das "praktische Lernen" und das Problem der Wissenskumulation. Von der Notwendigkeit der Entwicklung neuer Niveaus der Anschaulichkeit. (Schriftenreihe zum Bayerischen Schulmuseum Ichenhausen, Zweigmuseum des Bayerischen Nationalmuseums, und zum Schulmuseum Nürnberg, Bd. 20, S. 167-204). Bad Heilbrunn: Klinkhardt.

KMK Standards (Kultusministerkonferenz, Hrsg.). (2005a). Beschlüsse der Kultusministerkonferenz: Bildungsstandards im Fach Biologie für den Mittleren Schulabschluss. Beschluss vom 16.12.2004. Zugriff am 14.10.2013. Verfügbar unter http://www.kmk.org/fileadmin/veroeffentlichungen_beschluesse/2004/2004_12_16-Bildungsstandards-Biologie.pdf

KMK Standards (Kultusministerkonferenz, Hrsg.). (2005b). Beschlüsse der Kultusministerkonferenz: Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss. Beschluss vom 16.12.2004. Zugriff am 14.10.2013. Verfügbar unter http://www.kmk.org/fileadmin/veroeffentlichungen_beschluesse/2004/2004_12_16-Bildungsstandards-Chemie.pdf

Krell, M., Reinisch, B. & Krüger, D. (2014). Analyzing Students’ Understanding of Models and Modeling Referring to the Disciplines Biology, Chemistry, and Physics. Research in Science Education.

Leisner-Bodenthin, A. (2006). Zur Entwicklung von Modellkompetenz im Physikunterricht. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 12, 91-109.

Lethmate, J. & Arning, H. (2003). Experimentelles Arbeiten im Geographieunterricht. Geographie und Schule, 25 (145), 35-39.

Mayring, P. (2015). Qualitative Inhaltsanalyse. Grundlagen und Techniken (Beltz Pädagogik, 12., Neuausgabe, 12., vollständig überarbeitete und aktualisierte Aufl.). Weinheim, Bergstr: Beltz, J.

Meisert, A. (2008). Vom Modellwissen zum Modellverständnis - Elemente einer umfassenden Modellkompetenz und de-ren Fundierung durch lernseitige Kriterien zur Klassifikation von Modellen. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissen-schaften, 14, 243-261. Zugriff am 18.10.2013. Verfügbar unter http://www.ipn.uni-kiel.de/zfdn/pdf/14_013_Meisert.pdf

Nelson, M. M. & Davis, E. A. (2012). Preservice Elementary Teachers’ Evaluations of Elementary Students’ Scientific Models: An aspect of pedagogical content knowledge for scientific modeling. International Journal of Science Edu-cation, 34 (12), 1931-1959. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84864657765&partnerID=40&md5=7222ddc80657c4ae842930e9350cabc4

Oh, P. S. & Kim, K. S. (2013). Pedagogical Transformations of Science Content Knowledge in Korean Elementary Classrooms. International Journal of Science Education, 35 (9), 1590-1624. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84879696589&partnerID=40&md5=32d5ede2dd55750fadedd13d1fe671ab

Papageorgiou, G., Stamovlasis, D. & Johnson, P. M. (2010). Primary teachers’ particle ideas and explanations of physical phenomena: Effect of an in-service training course. International Journal of Science Education, 32 (5), 629-652. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-77951144254&partnerID=40&md5=a66f67c767c4c19c0b26f5b098e76ed1

Parchmann, I. (2012). Schülervorstellungen - Lernbarrieren oder Lernchancen? MNU Der mathematische und naturwis-senschaftliche Unterricht, 26-29.

Park, E. J. & Light, G. (2009). Identifying Atomic Structure as a Threshold Concept. Student mental models and trouble-someness. International Journal of Science Education, 31 (2), 233-258.

Popper, K. R. & Fleischmann, I. (1984). Objektive Erkenntnis ;. Ein evolutionärer Entwurf (4. verb. und ergänzten Aufl.). Hamburg: Hoffmann und Campe.

Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W. & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual Change. Science Education, 66, 211-227.

Rehm, M. (2007). Crossing the bridge from the macro to the micro world. NVOX - Tijdschrift voor natuurwetenschap op school, 32 (6), 291-293.

Saborowski, J. (2000). Computervisualisierung und Modelldenken. Konzeptionelle Grundlagen und fachdidaktische Konsequenzen für den Chemieunterricht. Köln: Saborowski.

Schneider, H. (1981). Quantifizierender Einsatz von Modellen im Biologieunterricht-aufgezeigt am Beispiel der mensch-lichen Wirbelsaeule. Naturwissenschaften im Unterricht. Biologie, 29 (8), 259-263.

Stachowiak, H. (1973). Allgemeine Modelltheorie. Wien, New York: Springer-Verlag.

Stäudel, L. (2014). Lernen fördern: Naturwissenschaften. Unterricht in der Sekundarstufe I (Unterrichtsentwicklung und Unterrichtsqualität Praxisband, 1. Aufl.). Seelze: Klett/Kallmeyer.

Streller, S. & Bolte, C. (2008). Tornados im globalen Klimageschehen. Eine fachübergreifende Sequenz für den Chemie-anfangsunterricht. Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule, 57 (2), 11-16.

Thiele, M., Mikelskis-Seifert, S. & Wünscher, T. (2005). Modellieren - Schlüsselfähigkeit für physikalische Forschungs- und Lernprozesse. PhyDid A, Physik und Didaktik in Schule und Hochschule, 4 (1), 30-46. Verfügbar unter http://www.phydid.de/index.php/phydid/article/view/29

Upmeier zu Belzen, A. (2013). Unterrichten mit Modellen. In D. Eschenhagen, H. Gropengießer, U. Harms & U. Katt-mann (Hrsg.), Fachdidaktik Biologie (9. , völlig überarb. Aufl, S. 325-334). Hallbergmoos: Aulis Verl. in der Stark Verlagsges.

Upmeier zu Belzen, A. & Krüger, D. (2010). Modellkompetenz im Biologieunterricht. Zeitschrift für Didaktik der Na-turwissenschaften, 16, 41-57. Zugriff am 18.10.2013. Verfügbar unter http://www.ipn.uni-kiel.de/zfdn/pdf/16_Upmeier.pdf

Van Dijk, E. M. (2009). Teachers’ views on understanding evolutionary theory: A PCK-study in the framework of the ERTE-model. Teaching and Teacher Education, 25 (2), 259-267. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-59149084075&partnerID=40&md5=45c23871bd4480123fa9114ff9d1e99f

Van Dijk, E. M. & Kattmann, U. (2007). A research model for the study of science teachers’ PCK and improving teacher education. Teaching and Teacher Education, 23 (6), 885-897. Verfügbar unter http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-34447117715&partnerID=40&md5=cfbe308fa6459259405d75d14bf2ae48

Van Driel, J. H. & Jong, O. D. (2015). Empowering Chemistry Teachers’ Learning: Practices and New Challenges. In J. García-Martínez & E. Serrano-Torregrosa (Hrsg.), Chemistry education. Best practices, opportunities and trends (S. 2-22).

Van Driel, J. H. & Verloop, N. (1999). Teachers' knowledge of models and modelling in science. International Journal of Science Education, 21 (11), 1141-1153.




DOI: http://dx.doi.org/10.25321/prise.2018.471

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University of Education Heidelberg

Christoph Randler

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