Concept Maps im Biologieunterricht: Kognitive und emotionale Wirkung von Trainingsmaßnahmen und visuellen Gestaltungsmerkmalen

Lenski, Sina ORCID: 0000-0001-6379-0941 (2022). Concept Maps im Biologieunterricht: Kognitive und emotionale Wirkung von Trainingsmaßnahmen und visuellen Gestaltungsmerkmalen. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die Komplexität und die große Vielfalt von Systemelementen der im Biologieunterricht behandelten Lerninhalte, kann für Lernende eine große Herausforderung darstellen. Um sie dabei zu unterstützen, Zusammenhänge zu identifizieren und zu verstehen, werden graphische Lernmethoden zur Organisation und Darstellung von Wissen für den Biologieunterricht empfohlen. Concept Maps bilden Informationen über Begriffsnetze ab und stellen eine solche Lernmethode dar. Trotz ihrer einfachen syntaktischen Struktur können Concept Maps Lernende, die mit der Methode nicht vertraut sind jedoch überfordern und somit das Lernen behindern. Auf dem Forschungsgebiet besteht allerdings Unklarheit darüber, ob und in welchem Umfang das Erstellen (die Konstruktion) und Betrachten (die Rezeption) von Concept Maps trainiert werden muss. Neben einem Methodentraining könnte auch eine Anpassung der Gestaltung von Concept Maps das Lernen mit diesen unterstützen. Der Multimedia-Forschung zufolge könnte die Lernwirksamkeit auch durch den Einbezug von Bildelementen verbessert werden. Ein neuer Forschungszweig, nimmt an, dass spezifische Designmanipulationen, etwa menschliche Merkmale und die Verwendung bestimmter Farben und Formen (Emotional Design), den affektiven Zustand der Lernenden beeinflussen und das Lernen fördern. Mit dem Ziel, lernförderliche Bedingungen für die Anwendung von Concept Maps im Biologieunterricht zu identifizieren wurden in der vorliegenden Dissertation zwei Projekte durchgeführt, die sich zum einen der Relevanz von Concept Map-Trainingsmaßnahmen und zum anderen der Wirkung von Emotional Design-Abbildungen widmeten. Im Rahmen von Projekt 1 wurden zwei Concept Map-Trainingsmaßnahmen mit unterschiedlichen Schwerpunkten (Rezeption oder Konstruktion) entwickelt und im Rahmen einer quasi-experimentellen Studie im 3x2-faktoriellen Design (N = 167) untersucht. Hierbei wurde ihre kognitive, metakognitive und emotionale Wirkung in einer den Traingsmaßnahmen nachgelagerten Lernphase, in der entweder durch die Rezeption oder die Konstruktion gelernt wurde, mit der einer Kurzeinführung zu Concept Maps verglichen. Zudem wurden die Blickbewegungscharakteristika (N = 52) von trainierten und untrainierten Lernenden mittels Eye-Tracking-Messungen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Konstruktionstraining die Lernleistung und die Fähigkeit Concept Maps zu erstellen erhöhen kann und sich die in der Konstruktion gewonnene Expertise auf das Rezipieren von Concept Maps übertragen lässt. Der durch das Konstruktionstraining gewonnene Expertiseunterschied wurde auch im Rahmen von Blickbewegungsuntersuchungen beobachtet und trat unabhängig von der Struktur der Concept Maps, also sowohl bei hierarchisch als auch bei netzartig strukturierten Concept Maps, auf. Außerdem schätzten Lernende ihre eigenen Leistungen nach der Teilnahme an einem Konstruktionstraining realistischer ein, als nach der Teilnahme an einem Rezeptionstraining. Keine der Concept Map-Trainingsmaßnahmen führte hingegen dazu, dass Lernende mehr Freude bei der Verwendung von Concept Maps empfanden. In Projekt 2 wurde die Wirkung von Emotional Design-Concept Maps, mit Concept Maps in die neutrale Abbildungen integriert wurden und mit rein textbasierten Concept Maps verglichen. In einer experimentellen Studie (N = 249) wurde der Einfluss dieser unterschiedlich gestalteten Concept Maps auf kognitive und affektive Variablen untersucht. Eine lernförderliche Wirkung wurde nicht gefunden. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass Emotional Design-Abbildungen in Concept Maps zu einer Abnahme der wahrgenommenen Aufgabenschwierigkeit und einer Reduktion des negativen Affekts führen. Die in den Concept Maps verwendeten Emotional Design-Abbildungen wurden zudem als angenehmer empfunden (höhere Valenz). Psychophysiologische Messungen (N = 42) ergaben, dass Lernende durch Emotional Design-Abbildungen nicht stärker aktiviert wurden oder diese mehr Aufmerksamkeit generierten als die anderen Concept Map-Designs. Die gewonnenen Ergebnisse tragen nicht nur zu einem wissenschaftlichen Erkenntnis-gewinn bei, sie ermöglichen auch die Ableitung schulpraktischer Implikationen in Bezug auf die Nutzung von Concept Maps im Biologieunterricht.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Concept maps in biology class: Cognitive and emotional impact of trainings and visual design features	UNSPECIFIED

Translated abstract:

Abstract

Language

The complexity and wide variety of system elements covered in biology classes, can be very challenging for learners. To help them identify and understand relationships, graphical learning methods for organizing and representing knowledge are recom-mended for biology classes. Concept maps represent such a learning method. However, despite their simple syntactic structure, concept maps can overwhelm learners who are unfamiliar with using this method and thus hinder learning. In the research field, it is unclear so far whether and to what extent the construction and the study of concept maps needs to be trained. Besides a method-training, another possibility to support learners in the use of concept maps, is to adapt the concept map design. According to multimedia research, learning effectiveness could be improved by including visual elements. A new branch of research assumes that specific design manipulations, such as human features and the use of certain colors and shapes (emotional design), influence the affective state of learners and promote learning. This thesis aimed at identifying conditions which support learning with concept maps in biology classes. Therefore, two projects were conducted. One investigated the relevance of concept map training while the other examined the effect of emotional design pictures. In Project 1, two concept map trainings focusing either the study or the construction were developed and examined in a quasi-experimental study using a 3x2 factorial design (N = 167). The effects of these trainings on cognition, metacognition, and affect were compared with those of a brief introduction to concept maps. In addition, eye movement characteristics (N = 52) of trained and untrained learners were examined using eye-tracking measures. The results showed that a construction-training can increase learning performance and the ability to create concept maps. Moreover, this expertise can be transferred to the study of concept maps. The difference in expertise gained through a construction training was also observed in eye movement studies and occurred regardless of the structure of concept maps, i.e., for both hierarchical and network structured concept maps. In addition, learners rated their own performance more accurately after participating in a construction training compared to learners who participated in a study-training. In contrast, none of the concept map-trainings increase the enjoyment of using concept maps. Project 2 compared the effects of emotional design-concept maps with concept maps that incorporated neutral pictures, and with text-only concept maps. In an experimental study (N = 249), the influence of these differently designed concept maps on cognitive and affective variables was investigated. A learning-promoting effect was not found. However, it was shown that emotional design pictures in concept maps lead to a decrease in perceived task difficulty and a reduction in negative affect. The emotional design pictures used in the concept maps were also perceived as more pleasant (higher valence). Psychophysiological measurements (N = 42) revealed that learners were not more activated by emotional design pictures or that they generated more attention than the other concept map designs. The results obtained not only contribute to scientific knowledge, but also allow giving recommendations for implications of concept maps in biology classes.

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