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Vorstellungen von Lehrenden der Physik an Hochschulen über die Natur der Naturwissenschaften und naturwissenschaftlicher Forschung

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Ausgangslage

Im Zuge der Evaluierung der Hochschulausbildung im Fach Physik tritt aktuell vor allem die Studieneingangsphase mit ihren vielfältigen Herausforderungen in den Vordergrund. Dazu gehören neben fachlichen Herausforderungen auch soziale Enkulturationsprozesse, das Hineinwachsen in die Fachkultur. Hier laufen eine Reihe Prozesse ab, die nicht explizit Inhalt von Curricula oder Lehrveranstaltungen sind, sondern ein Hidden Curriculum bilden: Epistemologie, Ontologie und Diskurs (Redish, 2010). Während die Modi physikalischen Diskurses z. B. unter dem Dach der Kompetenzbereiche Komunikation und Bewertung Gegenstand schulischer Kompetenzerwartungen sind (KMK, Ständige Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland, 2005) und damit auch Gegenstand umfangreicher fachdidaktischer Studien auf verschiedenen Ebenen physikalischer Ausbildung sind, stehen Epistemologie und Ontologie des Fachs im deutschsprachigen Bereich weniger im Zentrum.

Tatsächlich existieren unter dem Oberbegriff Natur der Naturwissenschaften (oder Nature of Science, NOS) eine Reihe Forschungsprojekte, die Vorstellungen und Beliefs bei Schüler/innen erheben (Höttecke, 2001; Kremer, 2010; Kremer & Mayer, 2013; Neumann, 2011; Priemer, 2003). Untersuchungen im Kontext universitärer Ausbildung sind dagegen eher selten (Höttecke & Rieß, 2007). Dabei wäre gerade hier der Lernort zu suchen, an dem zukünftige Physiker/innen und Physik-Lehrkräfte angemessene Vorstellungen erwerben könnten oder sollten. Die Dokumente der KFP zur Gestaltung von Fach-Studiengängen in der Physik enthalten keinen Hinweis darauf, dass diese für relevant gehalten werden (KFP, Konferenz der Fachbereiche Physik, 2005, 2010). In den ländergemeinsamen Anforderungen für das Lehramtsstudium wird nur kurz von der Kenntnis der „Ideengeschichte ausgewählter physikalischer Theorien und Begriffe sowie den Prozess der Gewinnung physikalischer Erkenntnisse (Wissen über Physik)“ (KMK, Ständige Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland, 2008, S. 40) gesprochen.

Aufgrund der vorliegenden Forschungslage ist aber völlig unklar, welche Vorstellungen von der Natur der Naturwissenschaften überhaupt bei Hochschullehrenden der Physik vorliegen. Die Studie von Schwartz (2004) mit amerikanischen Wissenschaftlern verschiedener Disziplinen zeigt hier nur zum Teil angemessene Vorstellungen. Zudem wird häufig argumentiert, gängige Studien und Testkonstruktionen in diesem Bereich spiegelten vor allem die Ansicht von Naturwissenschaftsdidaktikern und nicht z. B. von Wissenschaftsphilosophen wieder (Alters, 1997; Chen, 2006; Jungwirth, 1974). Gleichzeitig zeigen sich aber in aktuellen Studien zur Physik-Ausbildung an deutschen Hochschulen Korrelationen zwischen Fachwissenserwerb und angemessenen Vorstellungen von der Natur der Naturwissenschaften (Riese & Reinhold, 2010; Woitkowski, 2015).

Insgesamt scheint es also von Interesse, die Vorstellungen bezüglich der Natur der Naturwissenschaften bei Hochschullehrern der Physik als denjenigen, die den Enkulturationsprozess durch implizite oder explizite Akte wesentlich beeinflussen, zu erheben. Damit kann einerseits geprüft werden, inwieweit die Vorstellungen dieser Personengruppe überhaupt mit den gängigen fachdidaktischen Frameworks als angemessen geltenden Vorstellungen übereinstimmen, und inwieweit sie die Weitergabe dieser Vorstellungen an Studierende für relevant halten oder sogar explizit anstreben.

Nature of Science und epistemologische Beliefs

Begriffsbildung

Die beiden Untersuchungsgegenstände Nature of Science und epistemologische Beliefs überschneiden sich in der praktischen naturwissenschaftsdidaktischen Forschung häufig und sind wohl letztlich nicht ohne weiteres inhaltlich trennbar (Neumann & Kremer, 2013; Priemer, 2006). Vielmehr lassen sie sich verschiedenen Forschungs- und Theorietraditionen zuordnen. Während die epistemologischen Beliefs als Einflussfaktor auf Lernen vor allem in der Entwicklungs- und Kognitionspsychologie betrachtet werden, während die Nature of Science in der anglo-amerikanischen Naturwissenschaftsdidaktik-Tradition fußt. Neumann und Kremer (2013) stellen einen Vergleich der beiden Linien her und arbeiten einige wesentliche Unterschiede heraus. So ist die Forschungstradition der Nature of Science wesentlich stärker spezifischen Aspekten der Naturwissenschaften verhaftet als die typischerweise eher domänenübergreifend oder -unspezifisch verhandelten epistemologischen Beliefs. Weiterhin wird im Rahmen der Nature of Science eher das Wissen (eines Lerners) über die Naturwissenschaften behandelt (inklusive des Aspektes der Korrektheit dieses Wissens), während bei den epistemologischen Beliefs eher persönliche Ansichten umfassen (die dann z. B. charakterisiert werden können). Diese theoretisch ableitbaren Unterschiede zwischen den beiden Konstrukten spielen dann vor allem in der Konstruktion von Testinstrumenten in Bezug auf die dort abgefragten Inhalte sowie auf die Art der Fragestellung überhaupt ein Rolle.

Testinstrumente

Besonders im anglo-amerikanischen Raum existieren schon seit längerem ausführliche Testinstrumente zur Nature of Science. Die bekanntesten dürften VNOS (Views of Nature of Science, Lederman, Abd-El-Khalick, Bell & Schwartz, 2002) und VASS (Views about Science Survey, Halloun, 1997) sein. Beide speisen sich inhaltlich aus umfassenden Vorläuferarbeiten, aus denen sich Fragestellungen und Interpretationsrahmen ergeben. VNOS ist in der Form offener und sehr umfangreicher Fragen gehalten („What, in your view, is science? What makes science […] different from other disciplines of inquiry […]?“), die dann inhaltsanalytisch anhand eines Kategoriensystems ausgewertet werden. Im VASS hingegen werden den Probanden kontrastierende Aussagen zur Natur der Naturwissenschaften vorgelegt, zwischen denen sich entschieden werden muss. Hier existiert auch eine deutsche Version von Priemer (2003).

Im deutschsprachigen Raum wurden in neuerer Zeit vor allem die Instrumente von Neumann (2011) und Kremer (2010) entwickelt. Beide bauen inhaltlich auf den im amerikanischen Raum entwickelten NOS-Katalogen auf, verwenden aber andere Itemformate. Der Test von Neumann (der auf deutsch und englisch vorliegt), verwendet konsequent historische Fälle anhand derer dann Wissen über die Natur der Naturwissenschaften abgefragt wird. Diese reichen Kontextinformationen machen den Test aber relativ leicht (und bereits für Lehramts-Studierende zu leicht, Durstewitz, 2012). Der Test von Kremer verwendet – obwohl inhaltlich in der NOS-Tradition stehend – ein für die Belief-Tradition typisches Frageformat an, bei dem Probanden aussagen vorgelegt werden, zu denen sie auf einer Likert-Skala mehr oder weniger starke Zustimmung äußern sollen.

Für die hier angestrebte Befragung von Hochschullehrern der Physik erscheint damit zunächst entweder ein Test im Format von Kremer sinnvoll oder ein ganz offenes Format wie z. B. bei Schwartz (2004), der zur Befragung von Naturwissenschaftlern ein VNOS-ähnliches Instrument nutzt.

Fragestellung

In der vorgestellten Studie soll ein erster explorativer Zugang zu den Vorstellungen von Hochschullehrern der Physik zur Natur der Naturwissenschaften sowie ihr Umgang damit in der universitären Lehre hergestellt werden.

Die erste Erhebung in diesem Forschungsprojekt umfasst drei Fragestellungen:

  1. Wie beantworten die befragten Hochschullehrer die Items in vorhandenen Skalen aus Tests zur Natur der Naturwissenschaften? Inwiefern sprechen die hier erhobenen Daten für angemessene Vorstellungen im Sinne der vorhandenen Kriterien?

  2. Für wie relevant halten die Lehrenden die Kenntnis der abgefragten NOS-Aspekte für ihre Studierende?

  3. Für wie zentral halten die Lehrenden diese Aspekte in den eigenen Lehrveranstaltungen? Werden sie eher implizit oder explizit thematisiert?

Aufgrund der schwachen Literaturlage werden hierzu keine formalen Hypothesen aufgestellt. Die Befragung von (Schwartz, 2004) lässt aber vermuten, dass Frage 1 durchaus durchwachsene Ergebnisse erwarten lässt. Aufgrund der geringen Repräsentanz der Natur der Naturwissenschaften z. B. in Texten der KFP (2005, 2010) ist für Frage 2 und 3 ebenfalls eine gering ausgeprägte Relevanzattribution zu erwarten. Die Befragung von Heine und Pospiech (2015) weist aber darauf hin, dass zumindest in einem eng umgrenzten Bereich der der NOS (Zusammenspiel theoretische und Experimentalphysik) ein Effekt der jeweiligen Bereichszugehörigkeit vorliegen kann.

Testinstrument

Mit dem Ziel eines leichten Feldzugangs und einer niedrigen Rückmeldeschwelle soll ein Online-Test eingesetzt werden. Dieser gliedert sich in vier Blöcke: (1) Vorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften, (2) Demographie, (3) Relevanz für das Studium und (4) Relevanz für die eigene Lehre.

Vorstellungen zur Natur der Naturwissenschaften

Urhahne, Kremer und Mayer (2008) nennen 5 Dimensionen der Natur naturwissenschaftlichen Wissens: Sicherheit des Wissens, Entwicklung des Wissens, Einfachheit des Wissens, Rechtfertigung des Wissen, Herkunft des Wissens, für die jeweils bei Kremer (2010) Testitems vorliegen. Da sich diese aber vor allem Schüler/innen richten, erscheinen allerdings die Items zur Sicherheit und zur Herkunft des Wissens vom Niveau her nicht angemessen. Zu ersterer Dimension wurden daher Items von Riese (2009) verwendet. Zu zweiterer Dimension wurden Items basierend auf der Dimensions-Beschreibung bei Urhahne, Kremer und Mayer (2008) neu konstruiert.

Weiterhin nennen Urhahne, Kremer und Mayer (2008) 4 Dimensionen der Natur naturwissenschaftlicher Untersuchungen: Zweck der Naturwissenschaften, Theorien und Gesetze, Naturwissenschaftliche Methode, Kreativität und Vorstellungskraft. Auch hier wurden größtenteils Items von Kremer (2010) verwendet. Die Dimensionen Theorien und Gesetze und Naturwissenschaftliche Methode waren dort nicht operationalisiert worden, so dass auch hier wieder Items von Riese (2009) eingesetzt wurden.

Insgesamt werden somit 49 Items in diesem Testteil eingesetzt, die vom Umfrage-System zufällig gemischt präsentiert werden. Es wird jeweils eine 4-stufige Likert-Skala mit den Antwortmöglichkeiten „Trifft überhaupt nicht zu“, „Trifft eher nicht zu“, „Trifft eher zu“ und „Trifft völlig zu“ verwendet.

Demographie

Zwischen den beiden hauptsächlichen Testteilen wird – auch als bewusste gedankliche Pause – nach einigen wenigen demographischen Dank gefragt. Das sind der Hochschulstandort, die dort eingenommene Position (Professor/in, Rät/in, Post- oder Doktorand/in), Alter und Zeitpunkt der Promotion um eventuelle Alterseffekte aufzeigen zu können, Weiterhin die Richtung innerhalb der Physik (Theoretische, Experimentelle, Angewandte, Didaktik, sonstige), die bei Heine und Pospiech (2015) mit unterschiedlichen Vorstellungsmustern zusammenhängt.

Relevanz für das Studium und für die eigene Lehre

Um die Relevanz von Kenntnissen über die Natur der Naturwissenschaften zu erheben wurden zunächst für alle der 9 Dimensionen jeweils 2 Kompetenz- bzw. Lernzielformulierungen erarbeitet, die sich direkt an die Formulierungen bei Urhahne, Kremer und Mayer (2008) anschließen. Diese 18 Items werden zunächst unter dem Prompt „Bitte geben Sie jeweils an, für wie wichtig Sie diese Ziele für Studierende der Physik allgemein halten.“ dargeboten (4-stufige Likert-Skala mit „Überhaupt nicht wichtig“, „Wenig wichtig“, „Eher wichtig“, „Sehr wichtig“). Anschließend werde die Probanden nach einer konkreten Lehrveranstaltung gefragt (Titel, Lehrveranstaltungstyp, Zielgruppe), die nach Möglichkeit repräsentativ für ihre Lehrtätigkeit insgesamt ist. Dann wurden dieselben 18 Items (in anderer Reihenfolge) unter dem Prompt „Bitte geben Sie jeweils an, wie intensiv Sie die jeweiligen Inhalte in Ihrer Lehrveranstaltung thematisieren.“ dargeboten (4-stufige Likert-Skala mit „Wird nicht thematisiert“, „Wird implizit behandelt“, „Wird explizit angesprochen“, „Ist zentrales Lernziel“).

Ausblick

Die hier vorgestellte Untersuchung stellt einen eher explorativen Zugang zu einem bisher nur wenig (und im deutschsprachigen Raum fast gar nicht) erforschten Bereich dar. Damit bleiben mehrere Fragen offen: Ist so ein Instrument überhaupt geeignet für den Einsatz bei Hochschullehrenden? Wird es verstanden? Liegen die üblichen Qualitätsmaße (Skalenreliabilitäten, Varianz) in einer angemessenen Größenordnung? Es erscheint hier durchaus möglich, dass dieser erste Versuch zu dem Ergebnis führt, dass für diese Zielgruppe ein vollständig neues Instrument entwickelt und erprobt werden muss.

Sollte das eingesetzte Instrument aber verwertbare Informationen liefern wäre zunächst die direkte Korrelation zwischen eigenen Vorstellungen und Relevanzattribution im Gefüge der verschiedenen Lehrveranstaltungstypen (Vorlesung vs. Praktikum) und Bereichen (Theoretische vs. Experimentalphysik) interessant. Sind die von Heine und Pospiech (2015) gefundenen Unterschiede hier ebenfalls anzutreffen? Wird die Relevanz nur für das Studium allgemein oder auch für die eigene Lehrveranstaltung bejaht?

In einer weiteren Untersuchung wäre dann zu fragen, wie die Vorstellungen der Lehrenden und deren Relevanzattribution auf die Vorstellungen der Studierenden wirken. Auch hier ist bisher kein einfacher theoretischer Zusammenhang klar, insbesondere nicht für den (möglicherweise recht häufig anzutreffenden) Fall der lediglich impliziten Thematisierung der Natur der Naturwissenschaften in Lehrveranstaltungen.

Literaturverzeichnis

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Chen, S. (2006). Development of an instrument to assess views on nature of science and attitudes toward teaching science. Science Education, 90, 803-819.

Durstewitz, M. (2012). Entwicklung und Erprobung eines Fragebogens zur Erfassung wissenschaftstheoretischer Vorstellungen von Lehramtsstudierenden der Physik: Unveröffentlichte Staatsexamensarbeit, Universität Paderborn.

Halloun, I. (1997). Views About Science and physics achievement: The VASS story. In E. F. Redish & J. Rigden (Hrsg.), The changing role of physics departments in modern universities (S. 605–614). College Park, MD.

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