Projekte

Wir untersuchten in dieser Studie die Auswirkungen des Abschweifens der Gedanken, also die Verlagerung der Aufmerksamkeit von der aktuellen Aufgabe auf aufgabenfremde Gedanken, auf den Lernerfolg in videobasierten Lernsettings. Hierzu sahen sich die Studienteilnehmenden ein 60-minütiges Vorlesungsvideo an, wobei sie in randomisierten Zeitintervallen unterbrochen und nach ihrer Aufmerksamkeit befragt wurden. Um den Lernerfolg zu messen, füllten die Teilnehmenden vor und nach der Vorlesung einen Wissenstest zum Sitzungsthema aus. Zudem untersuchen wir, ob das Auftreten von Gedankenschweifen automatisiert erfasst werden kann. Hierfür soll ein multimodaler Machine-Learning-Ansatz, basierend auf Video-, Eye-Tracking- und EDA-Modalitäten entwickelt werden. Eine automatisierte Erkennung ermöglicht eine präzisere Untersuchung auch über längere Zeiträume hinweg und hat damit das Potenzial, zu geeigneten Interventionen im Hinblick auf adaptive Lernsysteme beizutragen.

In diesem Projekt wird untersucht wie Laien (sowie Literaturexpertinnen und -experten) ein auf Künstlicher Intelligenz (KI) basierendes Schreibtool wahrnehmen und bewerten, das kreativen Output wie z.B. kurze narrative Texte und Gedichte erzeugt. Wie glaubwürdig, kreativ und einfach zu lesen sind die Ergebnisse eines solchen auf GPT-3 basierenden Schreibtools?
Dabei werden insbesondere zwei Aspekte untersucht: Die Generierung von Texten mit Hilfe eines KI-Schreibtools und die Rezeption solcher Texte. Es wird also einerseits überprüft wie KI-generierte Texte im Vergleich zu ausschließlich menschlich geschriebenen Texten hinsichtlich ihrer Ästhetik und eingeflossenen Kreativität von Laien (sowie Literaturexpertinnen und -experten) bewertet werden. Wie empfinden sie die Outputs eines solchen Tools? Zeigt sich ein anderes Leseverständnis und Leseverhalten beim Lesen kreativer narrativer KI-Texte? Unterschiede beim Leseverhalten zwischen KI-Texten und menschlich geschriebenen Texten werden mittels Eye-Tracking untersucht. Nehmen Rezipientinnen und Rezipienten wahr, dass die Inhalte teilweise von einer KI erstellt wurden? Und wie sicher sind sie sich bei der Unterscheidung von KI-Texten und von Menschen geschriebenen Texten?
In einem weiteren Schritt wird untersucht, wie ein KI-Schreibtool den Schreibprozess unterstützen kann. Wird dabei beispielsweise Kreativität gefördert? Sind positive Effekte der Nutzung eines KI-Schreibtools von Dauer, bestehen diese also auch über die Nutzung des Tools hinaus? Des Weiteren soll untersucht werden, ob ein solches KI-Schreibtool akzeptiert wird und wie zukünftig mit dem Thema KI-Co-Autorenschaft umgegangen werden könnte.
Diese Aspekte werden in experimentellen Studien in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit dem Deutschen Literaturarchiv Marbach untersucht. Ziel ist es, Erkenntnisse über Mensch-Agenten-Prozesse insbesondere in kreativen Bereichen, z.B. bei der Produktion von Literatur, zu gewinnen. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, die Chancen und Grenzen von KI-basierten Tools aufzuzeigen und die Mensch-Computer-Interaktion in Zusammenhang mit KI besser zu gestalten.

In der Studie NarrAItions untersuchen wir in einer ersten Studie, ob Künstliche Intelligenz (KI)-Tools sich dazu eignen bei der Generation von Texten hilfreich zu sein und wie solche KI-generierten Texte auf die LeserInnen wirken. Dazu erstellten die TeilnehmerInnen Fortführungen von Gedichten und Texten bekannter Autoren, für die sie den genauen Wortlaut der Original-Fortführung nicht kannten. Sie bekamen jeweils die ersten Zeilen des Originals präsentiert und sollten in einem ersten Schritt eine eigene Fortführung schreiben. In einem zweiten Schritt sollten sie eine zweite Fortführung unter Einsatz eines KI-Tools erstellen, das mit Hilfe eines auf Sprachdaten trainierten, neuronalen Netzes mögliche Textfortführungen vorschlägt. Nach der Erstellung der beiden alternativen Fortführungen wurden die TeilnehmerInnen in einem dritten Schritt gebeten für alle entstandenen Trippel (bestehend aus Original-Fortführung, alternativer Fortführung der TeilnehmerInnen und Fortführung, die mit Hilfe des KI-Transformer Tools erstellt wurden) einzuschätzen, um welche Fortführung es sich handelt (Original, „eigene“ Fortführung, KI-Fortführung). Während des Lesens der Trippel wurden Blickbewegungsdaten erfasst, um zu untersuchen, ob das Leseverhalten bei KI-generierten Texten anders ist als bei menschengenerierten Texten. Darüber hinaus wurden die TeilnehmerInnen gebeten alle drei Fortführungen hinsichtlich Besonderheiten und Auffälligkeiten zu kommentieren. Erste Eindrücke zeigen, dass die KI häufig neue Elemente einbringt, die nicht erwartet wurden und dass es durchaus zu Verwechslungen kommen kann. Die KI-Fortführungen wurden teilweise sowohl für alternative Fortführungen der TeilnehmerInnen als auch für Originale gehalten.

Es geschehen täglich viele Fehler in der Medizin bei der Erstellung von Diagnosen, unter anderem wegen falscher Befundungen von Elektrokardiogrammen (EKG). Die korrekte Interpretation von EKGs ist bis heute eine lernintensive Fertigkeit, die viel Erfahrung und Praxis bedarf. Um Ärztinnen und Ärzten die Befundung zu erleichtern, gibt es EKG-Geräte, die das EKG mit einem automatisierten Diagnosevorschlag versehen. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass diese automatisierten Diagnosevorschläge unter bestimmten Bedingungen fehleranfällig sein können und die Interpretierenden sowohl positiv als auch negativ beeinflussen können. In der Studie wird untersucht, welchen Einfluss automatisierte Diagnosevorschläge auf die EKG-Befundungskompetenz Medizinstudierender nehmen. Außerdem wird das Blickverhalten bei verschiedenen Varianten von automatisierten Diagnosevorschlägen mittels Eye Tracking untersucht, um Informationen für eine gezielte Förderung der Befundungskompetenz zu generieren. Die Ergebnisse dieser Studie sollen in die Entwicklung neuer Lernmethoden einfließen, die das Erlernen der EKG Befundung bei Studierenden gezielt unterstützen.

In dem von der Robert-Bosch-Stiftung finanzierten interdisziplinären Forschungsprojekt „Digitale Binnendifferenzierung: Integration sprachlicher & kognitiver Maße zur adaptiven Förderung“ geht es darum, eine Erweiterung, Implementierung und Evaluation eines existierenden adaptiven intelligenten Tutor Systems im Fach Englisch umzusetzen, um ein genuin binnendifferenzierendes Lernen im Schulkontext zu ermöglichen.
Das Projekt ist eine Kooperation der ICALL-Forschungsgruppe am Seminar für Sprachwissenschaft und dem Arbeitsbereich Schulpsychologie, beide von der Universität Tübingen. Darüber hinaus strebt das Projekt eine Zusammenarbeit mit Interessengruppen der Sekundarstufe an, an der sowohl Schulen als auch abgeordnete Lehrkräfte teilnehmen. Die Schulen, die derzeit mit dem Projekt zusammenarbeiten, sind: Fanny-Leicht-Gymnasium, Friedrich-List-Gymnasium, Geschwister-Scholl-Schule, Privat Gymnasium Esslingen und GMS West Tübingen.

Direkte Instruktion und formatives Feedback gelten als wirksame Strategien zur Förderung des Lernens. Frühere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass die Kombination von vorheriger Instruktion und formativem Feedback nicht zwingend lernförderlich ist (z. B. Fyfe & Rittle-Johnson, 2016, 2017; Wischgoll, 2017). In einer kürzlich durchgeführten Studie (Wagner et al., in Vorbereitung) konnten wir frühere Ergebnisse replizieren, wonach die Kombination von direkter Instruktion und Feedback nicht zu additiven Effekten führte, sondern die Wirksamkeit der direkten Instruktion für den Ferntransfer signifikant reduziert wurde, sobald Feedback gegeben wurde (Instruktion-Feedback-Interaktion). Diese Interaktion zwischen Instruktion und Feedback kann durch das Ausmaß der Erregung (Arousal) erklärt werden, insbesondere bei Lernenden mit geringerem Vorwissen. In den bisherigen Experimenten wurde die Erregung allerdings nur anhand von Selbstberichten erhoben (siehe Pekrun & Buhner, 2014; Tan et al., 2021, für eine kritische Diskussion von Selbstberichten). Deshalb war das Ziel der vorliegenden Studie, die Erregung durch zusätzliche physiologische Messinstrumente (EDA-Armbänder zur Messung der elektrodermalen Aktivität) objektiv zu messen. Wir gehen davon aus, dass die Erregung zunimmt, wenn die Lernenden eine Kombination aus Instruktion und Feedback erhalten, verglichen mit denjenigen, die nur Feedback erhalten. Darüber hinaus vermuten wir, dass die Interaktion besonders bei Lernenden auftritt, die geringeres Vorwissen haben und dadurch in den Übungsaufgaben eine geringere Leistung zeigen, da sie eher negatives Feedback erhalten.

Das Projekt findet unter Nutzung von Equipment des TüDiLabs in Schulen statt und richtet sich an Schülerinnen und Schüler (SuS) der siebten bzw. achten Klassenstufe. In dieser Studie erproben und evaluieren wir eine ausgearbeitete Unterrichtseinheit zum Thema „Abbildungsvorgänge durch Sammellinsen“ (Physik, Optik). In der Unterrichtseinheit werden digitale und analoge Arbeitsweisen (eine interaktive Bildschirmsimulation als virtuelles Experiment und ein hands-on Schülerexperiment) ineinander integriert. Konkret wird im Bildungsplan Baden-Württembergs für das Fach Physik angeregt: „Der Einsatz von Computern, Smartphones oder vergleichbaren Geräten sowie dem Internet ist im Physikunterricht eine Selbstverständlichkeit – beim Wissenserwerb, beim Erfassen und Auswerten von Messdaten, beim Dokumentieren und Präsentieren sowie beim Einsatz von Simulationssoftware als Ergänzung zu Realexperimenten.“ (Bildungsplan Physik (Gymn.) BW, 2016, S.9) Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie der Einsatz von Simulationssoftware als Ergänzung zu Realexperimenten konkret aussehen könnte und sollte, um die SuS bestmöglich beim Lernen zu unterstützen. Die Ergebnisse aus diesem Projekt sollen bei der Beantwortung der Frage nach den Randbedingungen für eine lernwirksame Orchestrierung von Realexperimenten und interaktiven Simulationsexperimenten helfen. Im Besonderen wird in dieser Studie untersucht, ob sich einen Unterschied in der Reihenfolge der Durchführung der zwei Experimenttypen auf die Lernwirksamkeit der Unterrichtseinheit auswirkt.

Beim Erlernen der Klassifikation von Objekten (d.h. der Gruppierung von ähnlichen Objekten in Kategorien) haben Lernende oftmals Schwierigkeiten zu erkennen, welche Merkmale für die Klassifikation relevant sind und welche Merkmale vernachlässigt werden können. In dieser Studie wurde untersucht, inwiefern Feedback bezüglich der Aufmerksamkeitsverteilung auf die einzelnen Merkmale Lernende dabei unterstützen kann, ihre Aufmerksamkeit auf die relevanten Merkmale bei der Klassifikation zu lenken und so den Lernerfolg zu erhöhen. Als Lernmaterialien dienten schematische Abbildungen von Aliens, die sich anhand verschiedener Merkmale in Untergruppen klassifizieren ließen (z.B. anhand charakteristischer Fuß- oder Mundformen). Die Aufgabe der Lernenden bestand darin, im Laufe des Experiments herauszufinden, welche Merkmale für eine bestimmte Untergruppe der Aliens charakteristisch waren (Identifikation der Klassifikationsregel). Um den Einfluss verschiedener Arten des Feedbacks auf diesen Lernprozess zu untersuchen, wurde variiert, ob den Lernenden im Laufe des Lernprozesses ihre eigenen Blickbewegungen widergespiegelt wurden, ob ihnen die Blickbewegungen eines Experten (Person mit Wissen hinsichtlich der Klassifikationsregel) widergespiegelt wurden, ob ihnen sowohl die eigenen Blickbewegungen als auch die Blickbewegungen eines Experten oder ob ihnen keine Blickbewegungen widergespiegelt wurden. Der beste Effekt wurde dabei für die Kombination aus eigenem und Expertenblick-Feedback erwartet.

Die zunehmende Nutzung von instruktionalen Videos, in denen Illustrationen gezeichnet oder nach und nach dynamisch aufgebaut werden kann für Lernende viele Potenziale bereithalten. Allerdings kann ein dynamischer Aufbau von Illustrationen in Lehr-Lernkontexten auch besondere Herausforderungen an die Lernenden stellen. Eine Herausforderung besteht darin dynamische Informationen im Bild und im gesprochenen Text in Videos miteinander zu verknüpfen. Oftmals ist es schwierig in den Darstellungen im Video die entsprechenden Informationen zu finden, die ein/e Sprecher*in erklärt. Daher stellen wir in der aktuellen Studie, den Effekt der Dynamik oder zeitlichen Kontiguität durch das Zeichnen einer Illustrationen im Video den Effekten von sozialen Hinweisreizen, wie dem Zeigen auf eine fertige Illustration gegenüber. Die Forschungsfrage ist, ob soziale Hinweisreize (durch den Lehrenden) das Lernen über den Effekt der Dynamik bzw. zeitlichen Kontiguität hinaus (durch das Zeichnen der Illustrationen) verbessern.

Die zunehmende Nutzung von instruktionalen Videos in Lehr-Lernkontexten hält nicht nur Vorteile für Lernende bereit sondern auch Herausforderungen. Eine Herausforderung besteht darin dynamische Informationen im Bild und im gesprochenen Text in Videos miteinander zu verknüpfen. Oftmals ist es schwierig in den Darstellungen im Video die entsprechenden Informationen zu finden, die ein/e Sprecher*in erklärt. Daher untersuchen wir in der aktuellen Studie, wie verschiedene Hinweisreize wie beispielsweise Pfeile im Bild oder das Zeigen auf bestimmte Elemente durch eine Lehrperson das Verstehen von instruktionalen Videos fördern. Dabei interessieren wir uns dafür, ob durch die Sichtbarkeit einer Person im Video, die auf relevante Informationen im Bild zeigt, das Engagement und die Aufmerksamkeit der Lernenden verbessert werden. Für diese Fragestellung wird unter anderem Eye Tracking als Prozessmaß verwendet.

Ziel des Projekts ist es die E-Learning-Umstellung eines verpflichtenden Tutoriums in Statistik zu begleiten und für die Zukunft optimal aufzustellen. Zu diesem Zweck untersuchen wir wie ein Statistiktutorium durch eine digitale Lernumgebung verbessert werden kann. Insbesondere liegt der Fokus dabei auf sofortigen Rückmeldungen („Feedback“), die Studierende direkt nach einem Lösungsversuch einer Aufgabe erhalten. In digitalen Lernumgebungen kann solches Feedback unmittelbar gegeben werden, was menschliche Tutoren vor allem in größeren Gruppen nicht immer umsetzten können. Wir prüfen dabei, ob eine bestimmte Form des Feedbacks kurzfristigen Nutzen (für die Lösung der Aufgabe) aber auch langfristige Vorteile (in Hinsicht auf Klausuren) für die Lernenden bietet. Langfristig können diese Erkenntnisse genutzt werden, um systematisch digitale Zusatzangebote für die universitäre Lehre zu gestalten und zu implementieren.

Eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten zeigt, dass die kontraintuitive Inversion von Zehner und Einer in verschiedenen Zahlenwortsystemen (z.B. 25 ~ "fünfundzwanzig") ein Hindernis beim Erwerb von Zahlenwissen darstellt. Während die meisten Studien zu dem Schluss kommen, dass die Inversion von Zahlenwörtern nachteilige Auswirkungen auf die numerische Verarbeitung hat, sind Vorschläge zur Überwindung dieses Hindernisses meist anekdotisch. Durch die Verknüpfung von Grundlagenforschung zu numerischer Kognition mit einer didaktischen Unterstützungsmaßnahme, die nachweislich überwiegend das Lernen mit Text und Multimedia unterstützt, setzen wir in diesem Projekt farbliche Hervorhebungen als Mittel zur Manipulation externer Reizmerkmale ein, um interne Konflikte zwischen der arabischen Ziffernnotation und einer invertierten Zahlenwortbildung zu reduzieren. In einem ersten Schritt untersuchen wir systematisch mögliche Hervorhebungseffekte (d.h. die Hervorhebung bestimmter Ziffern oder Teile von Zahlenwörtern) im Rahmen einer zweistelligen Zahlenvergleichsaufgabe bei Erwachsenen, die eine invertierte Sprache sprechen. Dabei ermöglicht der Zahlenvergleich die Untersuchung von Hervorhebungseffekten sowohl innerhalb eines Formats als auch formatübergreifend (arabische Ziffern- und Zahlenwortnotation) und erlaubt daher einen direkten Test der Konfliktreduktion, wenn eine Integration zwischen der arabischen Ziffernnotation und invertierten Zahlenwörtern zur Aufgabenausführung erforderlich ist. Langfristig kann dieses Projekt ein Ausgangspunkt für Interventionen für den Grundschulunterricht Mathematik sein. Ziel dieser Interventionen wäre zu der Verringerung interkultureller Unterschiede in der mathematischen Leistung, die sich aus invertierten Zahlenwortstrukturen ergeben, beizutragen.

Die Evaluierung des Unterrichtsentwurfs zum Thema Fotosynthese mit Schulklassen der 7. Klassenstufe ist Teil eines Projekts gefördert durch die Robert Bosch Stiftung. Ziel des Projekts ist die Etablierung eines innovativen Lehrkonzepts für die mediendidaktische Aus- und Weiterbildung von Lehrpersonen am Hochschulstandort Tübingen, welches Lehrpersonen darauf vorbereitet, digitale Medien in lernförderlicher Weise im Unterricht einzusetzen. Die zusäzliche Beforschung ausgewählter, in den Seminaren entwickelter Unterrichtsentwürfe trägt zum Forschungsstand zum Lehren und Lernen mit digitalen Medien bei und erlaubt gleichzeitig die Generierung evidenzbasierter Best-Practice Beispiele, die ihrerseits wieder in die Lehre im Rahmen der Lehrerbildung einfließen. Der evaluierte Unterrichtsentwurf zum Thema Fotosynthese hatte ein virtuelles Experiment zu dem Thema eingebettet. Vor und nach der Unterrichtsstunde wurde die Schüler*innen in Fragebögen zu ihrem Wissen und ihren Einstellungen befragt. Die Arbeit der Schüler*innen mit dem virtuellen Experiment wurde aufgezeichnet, um Rückschlüsse auf Prozesse des wissenschaftlichen Denkens beim Experimentieren ziehen zu können. Darüber hinaus ist in dem Projekt mittelfristig geplant, die Lehr- Lernszenarien und entwickelten Materialien so aufzubereiten, dass sie über ein WWW-Portal für die Ausbildung in der ersten, zweiten und dritten Phase der Lehrerbildung (Studium, Referendariat, Fort- und Weiterbildung) verschiedenen Zielgruppen (Hochschullehrer*innen an allen Lehrerbildungsstandorten, Ausbilder*innen an den Seminaren für Lehrerbildung, als Lehrpersonen tätige Personen) zugänglich sind.

Für ein effektives, selbstgesteuertes Lernen von Texten müssen Lernende ihr Metaverständnis genau überwachen. Das Metaverständnis entsteht dadurch, dass man sich als Lernender seines eigenen (Nicht-)Wissens vergewissert. Das Metaverständnis ist oft ungenau, weil Lernende die Überwachung ihres Lernfortschritts auf nicht hilfreiche Hinweisreize stützen. So scheinen Bilder in multimedialen Lernaufgaben ein solcher, nicht hilfreicher Hinweisreiz zu sein. Allerdings sind die bisherigen Forschungsergebnisse zu den Effekten von informativen Bildern in Lernmaterialien auf die Genauigkeit des Metaverständnisses uneinheitlich. In zwei Experimenten im TüDiLab wurde festgestellt, dass das Vorhandensein von informativen Bildern versus keine Bilder keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Metaverständnisses oder die Lernergebnisse hatten. Allerdings waren sich die Lernenden unsicher in ihrem Urteil.

Zahlreiche Studien belegen, dass die Lernmethode „Lernen durch Erklären“ eine effiziente Methode ist, um den Lernenden in seinem Lernprozess zu unterstützen und um seinen Wissenserwerb zu erhöhen. Bei dieser Methode wird der Lernende angehalten, das erlernte Material zu erklären. Hierdurch verfestigt er sein Wissen, kann Unklarheiten feststellen und setzt sich somit vertieft mit dem Material auseinander. Wir möchten in dieser Studie untersuchen, ob es für den Lernenden einen Unterschied macht, ob er das erlernte Material sich selbst oder einer fiktiven Kommilitonin erklärt. Hierzu wurden Studierende der Universität Tübingen in das TüDiLab eingeladen und erlernten dort ein Thema der Biologie. Anschließend wurden sie gebeten, den Lerninhalt einer fiktiven, beschriebenen Kommilitonin oder sich selbst zu erklären. Um den Effekt der Erklärungen gegenüber von anderen Lernstrategien zu überprüfen, wurde eine weitere Gruppe gebeten, das Lernmaterial zusammenzufassen. Eine weitere, vierte Gruppe löste in der Zeit Knobelaufgaben und diente somit als Kontrollgruppe. Die Ergebnisse der Studie sollen dazu dienen, effiziente Lernstrategien zu identifizieren, um diese der Praxis zur Verfügung zu stellen.

Lernen mit Animationen

Kann der Umgang mit einer Animation zu chemischen Vorgängen zu einem Lernzuwachs führen? Im Rahmen einer Abschlussarbeit werden der Umgang mit einer Animation und der damit verbundene Lernzuwachs untersucht. Die betrachtete Animation liefert Bildinformationen zu Prozessen in einer sog. photogalvanischen Zelle. Dabei handelt es sich um einen für die Probanden neuen Fachinhalt, der aber mit Vorwissen aus dem Bereich der Elektrochemie, einem Standardthema des Chemieunterrichts, erschlossen werden kann.

In der Studie wird untersucht, ob es einer Hälfte der Probanden gelingt, ausschließlich anhand der Animation einen anschließenden Test zu den Prozessen in einer photogalvanischen Zelle gleich gut zu bearbeiten wie Teilnehmer, die zusätzlich einen Text zu den dargestellten Prozessen lesen. Zudem wird betrachtet, ob sie in der Lage sind, die beobachteten Prozesse fachadäquat sprachlich zu beschreiben.

Einsatz von Eye-Trackern und Verwertung der Ergebnisse

Während der Betrachtung einer Animation fixiert das Auge nur einen Bildausschnitt oder verfolgt ein Element auf der Bildschirmoberfläche. Der Betrachter entscheidet, was in welcher Reihenfolge und wie lang betrachtet wird. Mittels Eye-Tracking wird folgenden Fragen nachgegangen: Welche Bildelemente betrachten die Probanden? Wie lange verharren sie bei einem Objekt / einem Bildausschnitt? In welcher Reihenfolge sichten die Probanden abgebildete Elemente? Gibt es Bildelemente, die gar nicht wahrgenommen werden? Die Ergebnisse der Analyse sollen in eine Optimierung der Animation einfließen, deren Überarbeitung derzeit vorbereitet wird. In Ergänzung werden den Einsatz der Animation begleitende Arbeitsmaterialien erstellt.

Beim Erlernen einer Aufgabe im Bildungskontext ist es entscheidend zu lernen, welche Bestandteile der Aufgabe für deren Bearbeitung relevant sind und welche nicht. Insbesondere wenn Menschen eine ganz neue Art von Aufgabe bearbeiten müssen, fällt es ihnen oftmals schwer, aufgabenrelevante Informationen zu identifizieren, was zu Problemen für die erfolgreiche Durchführung der Aufgabe führen kann. In dieser Studie wird daher untersucht, wie und wann Lernenden ihre Aufmerksamkeit auf relevante Bestandteile einer neu zu erlernenden Aufgabe lenken. Das TüDiLab bietet hierbei eine realistische Lernumgebung, die zudem das Aufzeichnen von Blickbewegungen während des Lernens erlaubt. Mit Hilfe der Blickbewegungsaufzeichnung ist es möglich genau zu untersuchen, wie sich die Aufmerksamkeitsverteilung bei neuen Aufgaben entwickelt und auch wie dieser Prozess besser unterstützt werden kann. Die aktuelle Studie ist Ausgangspunkt für verschiedene Folgestudien, die sich damit befassen werden, wie die Aufmerksamkeit von Lernenden auf aufgabenrelevante Informationen gelenkt werden kann. Hierfür werden Lernenden entweder die Blickbewegungen von anderen Lernenden, die die Aufgabe erfolgreich bearbeitet haben oder ihre eigenen Blickbewegungen während des Erlernens der Aufgabe gezeigt. Diese Blickbewegungsvisualisierungen sollen Lernenden dabei helfen zu verstehen, wohin sie ihre Aufmerksamkeit bei der Aufgabenbearbeitung lenken sollten.

Die Digitalisierung im Bildungsbereich eröffnet auch für den naturwissenschaftlichen Schulunterricht neue Perspektiven. Beispielsweise ist es möglich neben physikalischen Experimenten auch virtuelle Experimente und Simulationen einzusetzen. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, wenn Phänomene vermittelt werden sollen, die sich auf einer nicht sichtbaren Ebene abspielen (z.B. Teilchenebene). Zudem kann in einem virtuellen Experiment die Aufmerksamkeit der Lernenden stärker auf den relevanten Inhalt gelenkt werden. Auch die Vermittlung von naturwissenschaftlichen Kompetenzen kann durch virtuelle Experimente unterstützt werden. In dieser Studie zum Thema Photosynthese wurden drei Gruppen von Lernenden untersucht: (a) eine Multimedia-Gruppe, die den Lerninhalt über ein Video mit einem Lehrer und Visualisierungen gelernt hat, (b) eine virtuelle Experiment-Gruppe, die sich den Lerninhalt anhand eines virtuellen Experiments erarbeitet hat und (c) eine virtuelles Experiment + Erklären Gruppe, die sich die Inhalte ebenfalls anhand eines virtuellen Experiments erarbeitet hat danach eine individuelle Videoerklärung des Lerninhalts erstellt hat. Es wurde erwartet, dass das Lernen mit einem virtuellen Experiment aufgrund der aktiven Auseinandersetzung mit dem Lerngegenstand zu besseren Lernergebnissen führt als die passive Informationsaufnahme über ein Multimedia Video. Das Erklären des Lerninhalts sollte diesen positiven Effekt des aktiven Lernens mit dem virtuellen Experiment noch weiter verstärken. Diese Studie diente dazu die Effektivität des Lernmaterials für einen Unterrichtsentwurf zum Thema Photosynthese mit Studierenden zu testen. Die Ergebnisse dieser Studie werden in die Gestaltung einer Unterrichtsstunde einfließen und in weitere Studien mit Schulklassen münden.

Forschungsbefunde zeigen, dass das Lernen mit Texten und Bildern (Multimedia) zu besseren Lernergebnissen führt als das Lernen nur mit Text oder nur mit Bild. Da Lernende sich häufig jedoch stärker mit den Texten als mit den Bildern befassen, profitieren sie oftmals nicht von multimedial aufbereitetem Lernmaterial. Um Lernende dabei zu unterstützen, wurden verschiedene Gestaltungsmaßnahmen entwickelt. Die Gestaltungsmaßnahme deren Effektivität wir in dieser Studie untersuchen ist Signaling: Das Hervorheben von korrespondierenden Informationen in Text und Bild z.B. durch Farbe. Es wird angenommen, dass Signaling nur Lernende mit wenig Vorwissen unterstützt, wobei Lernende mit hohem Vorwissen entweder nicht profitieren oder sogar schlechtere Lernleistungen zeigen. Offen ist, ob sich diese Befundlage auch auf das Lernen mit Text und Graph übertragen lässt. Die aktuelle Studie widmet sich daher dieser Fragestellung und hat zudem das Ziel zu untersuchen, welche Verarbeitungsprozesse bezogen auf die visuelle Aufmerksamkeit und kognitive Belastung Lernende mit geringem und hohem Vorwissen ausführen. Die Ergebnisse können einen Beitrag zur adaptiven Gestaltung von digitalem Lernmaterial leisten.

Verschiedene Theorien beschreiben die kognitiven Prozesse, die für das erfolgreiche Lernen mit multiplen Repräsentationen wie z.B. Texten, Grafiken, Bildern, Tabellen etc. erforderlich sind. Das Lernen mit multiplen Repräsentationen spielt eine zunehmend wichtige Rolle im Umgang mit digitalen Medien. Informationen sind häufig auf verschiedene Repräsentationsformate verteilt. Die Studie hat sich zum Ziel gesetzt Kohärenzbildungsprozesse, d.h. kognitive Prozesse die notwendig sind um Informationen in einem sinnvollen Zusammenhang zu bringen beim Lernen mit multiplen Repräsentationen zu untersuchen. Während des Lernens wurden Blickbewegungen aufgezeichnet, um Einblick in die visuelle Verarbeitung zu erhalten, welche Rückschlüsse auf Kohärenzbildungsprozesse zulässt.

Das Befunden von radiologischen Aufnahmen ist eine der zentralen Aufgaben für Zahnmediziner. Die Forschung zeigt allerdings, dass es sich dabei um einen fehleranfälligen Prozess handelt, bei dem eine sehr gute Leistung umfangreiche Übung voraussetzt. Trotz der Relevanz des Prozesses existieren bisher keine evidenzbasierten Methoden für die Lehre der Befundung radiologischer Bilder. Dieser Aspekt wird in dem aktuellen Projekt anhand von Eye Tracking im TüDiLab adressiert. Das Projekt hat zum Ziel, Einblick in die Informationsverarbeitung von Studierenden während des Befundens radiologischer Bilder des Kiefers zu gewinnen und neue Lehrmethoden zur Unterstützung dieser Wissensarbeit zu entwickeln. Im Hinblick auf das Informationsdesign werden die Effekte verschiedener Visualisierungen der Blickbewegung einer anderen Person untersucht, die auf den radiologischen Aufnahmen eingeblendet wird. In Bezug auf das Interaktionsdesign wird eine adaptive, blickbasierte Trainingsumgebung entwickelt, die die Blickbewegung der Studierenden während der Befundung online analysiert und individuelle Rückmeldungen gibt. In insgesamt vier TüDiLab-Studien, die in die reguläre Radiologieausbildung angehender Zahnmediziner eingebettet sind, wird die aktuelle pädagogische Praxis evaluiert. Darüber hinaus werden neue Trainingsmethoden entwickelt und empirisch erprobt.

Ziel des Projekts ist die Etablierung eines innovativen Lehrkonzepts für die mediendidaktische Aus-und Weiterbildung von Lehrerinnen und Lehrern am Hochschulstandort Tübingen, welches Lehrerinnen und Lehrer darauf vorbereitet, digitale Medien in lernförderlicher Weise im Unterricht einzusetzen. Das Lehrkonzept beruht auf einer Weiterentwicklung der Inverted-Classroom-Methode. Es wird beispielhaft für ein zentrales Nutzungsszenario digitaler Medien im Bereich der naturwissenschaftlichen Fächer („virtuelles Experimentieren im naturwissenschaftlichen Unterricht“) entwickelt und im TüDiLab evaluiert. Darüber hinaus wird die Übertragbarkeit des Lehrkonzepts auf ein weiteres Nutzungsszenario digitaler Medien („Informationssuche und -bewertung im Internet in Deutsch und Geschichte“) erprobt, um die Generalisierbarkeit des Lehrkonzepts auf andere Fächer und Studierendengruppen zu prüfen. Die zusätzliche Beforschung ausgewählter, in den Seminaren entwickelter Unterrichtskonzepte trägt zum Forschungsstand zum Lehren und Lernen mit digitalen Medien bei und erlaubt gleichzeitig die Generierung evidenzbasierter Best-practice-Beispiele, die ihrerseits wieder in die Lehre im Rahmen der Lehrerbildung einfließen. Eine Mehrfachnutzung der entwickelten Materialien und didaktischen Vorgehensweisen ist vorgesehen, um eine möglichst flächendeckende und nachhaltige mediendidaktische Professionalisierung von Lehrerinnen und Lehrern zu unterstützen. Darüber hinaus ist mittelfristig geplant, die Lehr-Lernszenarien und entwickelten Materialien so aufzubereiten, dass sie über ein WWW-Portal für die Ausbildung in der ersten, zweiten und dritten Phase der Lehrerbildung (Studium, Referendariat, Fort- und Weiterbildung) verschiedenen Zielgruppen (Hochschullehrer/Innen an allen Lehrerbildungsstandorten, Ausbilder/Innen an den Seminaren für Lehrerbildung, als Lehrerinnen und Lehrer tätige Personen) zugänglich sind.

Diagramme werden häufig genutzt um komplexe Sachverhalte, wie z. B. im Biologieunterricht den Ablauf eines Aktionspotentials in einer Nervenzelle, zu vermitteln. In vorherigen Studien hat sich gezeigt, dass Schülerinnen und Schüler für den Verständnisprozess unterschiedlich viel Zeit benötigen. Manche Schüler scheinen Informationen nicht nur besser, sondern auch schneller zu verarbeiten als andere. Im TüDiLab haben wir untersucht, ob sich die schnellere Informationsverarbeitung mancher Schülerinnen und Schüler auf einen effizienteren und strategischeren Einsatz ihrer Blickbewegungen zurückführen lässt.

Die Blickbewegungsmuster müssen dabei immer relativ zu den Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler und relativ zu den Anforderungen des Diagrammes bewertet werden. Die Blickbewegungsmuster von sehr starken Schülerinnen und Schülern bei einer schwierigen Diagrammaufgabe kann dem Blickbewegungsmuster von sehr schwachen Schülerinnen und Schülern bei der gleichen Aufgabe stark ähneln. Im ersten Fall ist das Blickbewegungsmuster ein Ausdruck intensiver Informationsverarbeitung und im zweiten Fall ist es ein Ausdruck von Desorientiertheit. Wir betrachten deshalb den Zusammenhang zwischen Blickbewegungen und Verstehensprozessen unter Einbezug von Eigenschaften der Schülerinnen und Schüler und Eigenschaften der zu verstehenden Diagramme. Die Ergebnisse dieser Studie können dafür genutzt werden Lehr-/Lernmaterialien besser an die Bedürfnisse von Schülerinnen und Schülern anzupassen und um adaptive Blickbewegungssteuerungen zu entwickeln.

Bisherige Forschung zeigt, dass sich die Informationsverarbeitung bei der Bearbeitung von bestimmten Aufgaben mit zunehmender Expertise verändert. Erfahrene Schachspieler schauen beispielsweise seltener und flüchtiger auf Schachfiguren, die irrelevant für die jeweilige Spielsituation sind als Schachanfänger. In dieser Qualifizierungsarbeit wurde untersucht, ob sich dieser häufig nachgewiesene Unterschied in der Informationsverarbeitung von Experten und Anfängern auch bei Personen mit hoher und geringer Diagrammlesekompetenz zeigt. Die Diagrammlesekompetenz der Probanden wurde zunächst mit einem Test erfasst. Daraufhin wurden die Blickbewegungen der Probanden bei der Beantwortung von Diagrammverständnisaufgaben aufgezeichnet. Entsprechend der aufgestellten Hypothese sollten Probanden mit höherer Diagrammlesekompetenz seltener und flüchtiger auf irrelevante Diagrammbereiche schauen als Probanden mit geringerer Diagrammlesekompetenz. Momentan werden die Blickbewegungsdaten analysiert.

Die mindset theory der Handlungsphasen besagt, dass die Wahl eines umzusetzenden Zieles und das darauf folgende tatsächliche Umsetzen dieses Zieles grundlegend unterschiedliche Handlungsphasen darstellen. In jeder Handlungsphase wird eine bestimmte Bewusstseinslage hervorgerufen, mit der jeweils andere mentale Prozesse verbunden sind. In der abwägenden Bewusstseinslage - während der Wahl eines Zieles - ist eine breitere Aufmerksamkeit auf alle verfügbaren Informationen hilfreich. Dahingegen hilft in der planenden Bewusstseinslage - während der Erreichung eines Zieles - eher ein enger Fokus auf die Informationen die für dieses Ziel relevant sind. Laut der Theorie sollen sich diese Bewusstseinslagen auch auf die visuelle Wahrnehmung auswirken. Büttner und Kollegen (2014) haben dies getestet, indem sie die Bewusstseinslage von Personen manipuliert und daraufhin mit Hilfe von Eye Tracking untersucht haben, ob sie sich in der Wahrnehmung dargebotener Bilder unterschieden. Es wurde gezeigt, dass Personen in der abwägenden Bewusstseinslage gleichmäßig das gesamte Bild betrachteten, während Personen in der planenden Bewusstseinslage ihre Aufmerksamkeit mehr auf Details richteten und besonders den Vordergrund betrachteten. In der im TüDiLab durchgeführten Studie sollen die Ergebnisse von Büttner und Kollegen (2014) repliziert werden. Hierdurch könnte die mindset theory sowie die Annahme, dass die verschiedenen Handlungsphasen mit grundlegenden Unterschieden in der visuellen Wahrnehmung einhergehen, weitere empirische Unterstützung erhalten.

Im Rahmen dieses Workshops wurden die Teilnehmer darin geschult mit dem zum TüDiLab gehörenden portablen Videosynclabor Unterrichtsgeschehen im Klassenzimmer aufzuzeichnen. Dazu zählte der Aufbau des portablen Labors inklusive der Ausrichtung der Kameras und der Verwendung der Mikrofone, sowie das Aufzeichnen selbst und die Speicherung der entstandenen Videos.

Wie können Lehrpersonen bei der Einbindung virtueller Experimente in den Unterricht vorgehen? Im Workshop wurde zunächst ein kurzer Überblick über den Stand der Forschung zur Lernwirksamkeit virtueller Experimente sowie zu den Randbedingungen für ihren erfolgreichen Einsatz gegeben. Danach wurden Beispiele aus der Forschungs- und Unterrichtspraxis präsentiert, um Chancen und Herausforderungen des forschenden Lernens mit virtuellen Experimenten zu illustrieren und zu diskutieren. Schließlich wurden (kostenlos) zugängliche Plattformen vorgestellt, auf denen virtuelle Experimente für den naturwissenschaftlichen Unterricht bereitgestellt werden, und von den Teilnehmenden direkt ausprobiert und bewertet.

Diese Veranstaltung war der Kick-Off zu einem Projekt mit Lehrpersonen der Gemeinschaftsschule West Tübingen. In dem Projekt, das von der Robert Bosch Stiftung und der Vector-Stiftung gefördert wird, geht es darum die Einführung von digitale Medien in der neu etablierten gymnasialen Oberstufe zu begleiten und digitale Lehrmaterialen gemeinsam in einem Team aus Lehrpersonen und Wissenschaftler*innen zu entwickeln. Ziel dieser Veranstaltung war das Rahmenkonzept des Projekts vorzustellen und zu diskutieren, einen Überblick über den Begriff „adaptiver Unterricht“ zu geben und erste Möglichkeiten digitale Medien in den Unterricht einzusetzen kennen zu lernen und direkt im TüDiLab auszuprobieren.

Wie können Lehrpersonen bei der Einbindung von digitalen Medien in den Unterricht vorgehen? Der Workshop führte die Teilnehmenden im ersten Block in relevante Theorien in diesem Kontext ein. Daraufhin wurden exemplarisch evidenzbasierte Beispiele für den Einsatz digitaler Medien in allen Phasen des Unterrichts aufgezeigt. Es ging beispielsweise um virtuelle Experimente für den naturwissenschaftlichen Schulunterricht und die formative Diagnose in der Sicherungsphase des Unterrichts. Passende digitale Apps und Lernangebote wurden von den Teilnehmenden im Workshop direkt ausprobiert und bewertet.

Dieser Workshop diente als Einführung in die Handhabung der im TüDiLab installierten Promethean Activ Boards. Diese digitalen Tafeln/interaktive Whiteboards bieten die Möglichkeit verschiedene Apps zu nutzen, andere Geräte wie Tablets und Laptops zu verbinden, Tafelbilder zu erstellen und mit einer Klasse/Kurs zu teilen, vorbereitete Dokumente zu öffnen und vieles mehr. Diese Optionen wurden vorgestellt und anhand von praxisnahen Szenarien demonstriert.

Der Workshop richtete sich an ein Kollegium einer Grundschule. Zum Einstieg wurden zentrale Theorien und Randbedingungen zum Thema Lehren und Lernen mit digitalen Medien vermittelt. In einem darauffolgenden wurden relevante Nutzungsszenarien technischer Natur mit Tablets im Unterricht gezeigt und ausprobiert (beispielsweise das Koppeln von Geräten und Teilen von Arbeitsergebnissen). Im Anschluss wurden Suchmaschinen und Tools für das Auffinden von passenden Apps für die Grundschule besprochen. Exemplarisch wurden einige Apps ausführlicher vorgestellt und getestet (Quiz-Apps, das Spiel Prosodiya, dass den Schriftspracherwerb von Kindern mit Lese- Rechtschreibschwäche fördert, Apps für den Mathematikunterricht etc.). Die Lehrerinnen und Lehrer konnten daraufhin in einer Gruppenarbeit über Anwendungsmöglichkeiten von Tablets und entsprechenden Apps in ihrem Unterricht diskutieren und reflektieren.

Der Verbreitung von digitalen Tafeln oder interaktiven Whiteboards (IWB) nimmt stetig zu. Jedoch werden die Potenziale dieser Geräte oftmals nicht hinreichend ausgeschöpft. In diesem Zusammenhang wurde für ein Mathematikkollegium eines Gymnasiums ein Workshop zum Einsatz von digitalen Tafeln durchgeführt. Eingangs wurden zentrale Theorien und Randbedingungen zum Thema Lehren und Lernen mit digitalen Medien besprochen. Aufbauend darauf wurden relevante Nutzungsszenarien für den Mathematikunterricht, wie z.B. der Einsatz von Apps für die Abfrage von Wissen mit Smartphones und Formeleditoren gezeigt und ausprobiert. Ebenso wurde besprochen, wie passende Apps für den Mathematikunterricht gefunden werden können. In einer Hands-On Session testeten die Lehrerinnen und Lehrer Apps und besprachen Einsatzmöglichkeiten in ihrem Unterricht.

Dieser Workshop war Teil eines Erasmus+ Projekts von Mitarbeitern des Kreismedienzentrums, das Lehrerinnen und Lehrer, die digitale Medien im Unterricht einsetzen, europaweit vernetzt. Während des Workshops haben erfahrene Lehrerinnen und Lehrer aus Norwegen und Spanien, sowie Mitarbeiter des Kreismedienzentrums Tübingen, ihr Wissen und Erfahrungen zum Einsatz digitaler Medien zur formativen Diagnose an Lehrerinnen und Lehrer aus der Region und Interessierte des IWMs weitergegeben. Zudem fand ein Austausch in Form einer Postersession zwischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IWMs und den Lehrerinnen und Lehrern statt, der den Grundstein für zukünftige Kooperationen bildet. Der gesamte Workshop wurde wissenschaftlich begleitet.

Im Rahmen dieses Workshops wurden die Teilnehmer darin geschult mit dem im TüDiLab installierten Mangold Videosystem Unterrichtsgeschehen aufzuzeichnen und zu analysieren. Dazu zählte die Ausrichtung der Kameras, das Aufzeichnen selbst sowie die Speicherung der entstandenen Videos. Der Schwerpunkt des Workshops lag in der inhaltlichen Kodierung von Videos mit der INTERACT Software.

Die Schulung zum Thema iPads im Unterricht vermittelte grundlegendes und weiterführendes Wissen rund um die Nutzung der Geräte im Unterricht und ermöglichte in Hands-On Phasen das Ausprobieren dieser Funktionen durch die Teilnehmenden. Im ersten Schritt wurden die Basisfunktionen der Geräte, wie beispielsweise die Erstellung von Screenshots, Fotos, Videos und die Nutzung von Airplay und Airdrop zum Austausch von Daten und für das kollaborative Arbeiten vorgestellt und getestet. Aufbauend darauf wurden verschiedene Anwendungen (Office, kollaborative/kreative Elemente, eBooks, Erklärfilme, Quizzes etc.) für den Kontext Unterricht vorgestellt. Auch in diesem Schulungsblock arbeiteten die Teilnehmenden jeweils aktiv mit den Anwendungen und erstellten Produkte, wie beispielsweise Erklärvideos.