Kompetenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung

Wissenschaftsmethodische Kompetenzen sind ein Kernelement naturwissenschaftlicher Bildung und in den Bildungsstandards als Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung verbindlich festgeschrieben. Fokus aktueller naturwissenschaftsdidaktischer Forschung ist es, für diese normativen Standards theorie- und evidenzbasierte Kompetenzmodelle zu erarbeiten. In der vorliegenden Dissertation wird zum Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung für den Teilbereich der wissenschaftlichen Erkenntnismethoden geprüft, ob sich die im Kompetenzmodell wissenschaftlichen Denkens von Mayer (2007) angenommenen Teilkompetenzen Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung einer Untersuchung sowie Deutung der Ergebnisse empirisch bestätigen lassen. Zudem wird quer- und längsschnittlich untersucht, wie sich die Kompetenz innerhalb der Sekundarstufe I entwickelt, welche Rolle Personenmerkmale spielen und ob die Unterrichtsgestaltung im Projekt Biologie im Kontext, in dessen Rahmen die Untersuchung stattfand, einen kompetenzfördernden Einfluss auf die Lernenden hat. Als Instrument wurde ein Kompetenztest mit offenen Aufgaben im Multimatrix-Design zum Thema Experimentieren im Biologieunterricht entwickelt und in Gymnasien, Realschulen und Hauptschulen in Hessen und Bayern in den Jahrgangsstufen 5-10 eingesetzt. Die Schülerantworten wurden anhand fünf a priori entwickelter Niveaustufen bewertet und mit der Item-Response-Theorie ausgewertet. Auf Basis einer Validierungsstudie (N= 1562) wurden mittels 24 Items die Schülerkompetenzen in querschnittlichen Analysen (N= 1553) sowie in einem Längsschnitt über ein Schuljahr (N= 1129) untersucht. Die Modellprüfung weist dem vierdimensionalen Modell eine bessere Passung zu als dem eindimensionalen Modell. Schwache bis mittlere Interkorrelationen und eine nachgeschaltete Faktorenanalyse lassen ebenfalls darauf schließen, dass dem vierdimensionalen Modell mit den postulierten Teilkompetenzen Fragestellung, Hypothese, Planung und Deutung gegenüber dem eindimensionalen Modell der Vorzug zu geben ist. Die querschnittlichen Analysen zeigen, dass zwischen den Jahrgangsstufen 5 6, 7 8 und 9 10 signifikante Leistungsunterschiede in der Gesamtkompetenz und den Teilkompetenzen bestehen. Dabei nehmen die zwischen den Teilkompetenzen festgestellten Leistungsunterschiede mit der Jahrgangsstufe zu. Die längsschnittlichen Analysen belegen Leistungszuwächse der Lernenden über ein Schuljahr: Die Kompetenz steigt hier in der Gesamtstichprobe und innerhalb der einzelnen Jahrgangsstufen der Sekundarstufe I signifikant an. Vergleicht man die verschiedenen Jahrgangsstufen in ihrem Kompetenzzuwachs über ein Schuljahr, so zeigt sich, dass der Kompetenzzuwachs in den Jahrgängen 5 8 stärker ausgeprägt ist als in den Jahrgängen 9 10. Auf Ebene der Teilkompetenzen liegt für die Gesamtstichprobe ein Kompetenzzuwachs über ein Schuljahr in den Teilkompetenzen Fragestellung, Hypothese und Planung vor, während in der Teilkompetenz Deutung ein geringer Kompetenzrückgang zu verzeichnen ist. Der Kompetenzgrad hängt mit der besuchten Schulform zusammen. Dabei zeigen Gymnasiasten querschnittlich untersucht bessere Leistungen als Realschüler oder Hauptschüler, wobei die Unterschiede zur Hauptschule besonders deutlich ausfallen. Kompetenzzuwächse über ein Schuljahr zeigen sich ausschließlich in Gymnasium und Realschule. Das Alter hat weder quer- noch längsschnittlich untersucht eigene Effekte auf die Kompetenzentwicklung, ebenso wenig wie das Geschlecht der Probanden. Der Einfluss der Biologienote ist im querschnittlichen Vergleich gering, im längsschnittlichen Vergleich nicht nachweisbar. Lernende, die am Projekt Biologie im Kontext teilnahmen, in dem Unterrichtsbausteine zur Erkenntnisgewinnung eingesetzt wurden, und deren Lehrkräfte verstärkt kompetenzorientiert unterrichteten, zeigen in den Klassen 9 10 größere Kompetenzzuwächse über ein Jahr als Probanden aus entsprechenden Kontrollklassen. Die Untersuchung zeigt, dass wissenschaftsmethodische Kompetenzen in der Sekundarstufe I vermittelt und weiterentwickelt werden. Der Befund der diskontinuierlichen Kompetenzentwicklung und der mit den Schuljahren zunehmenden Leistungsunterschiede zwischen den Teilkompetenzen führt als didaktische Implikation zu dem Schluss, dass weitere Maßnahmen zur Förderung wissenschaftsmethodischer Kompetenzen notwendig sind, um einen kumulativen Kompetenzaufbau gewährleisten zu können.

Cognitive Component Skills of Reading Comprehension in Developing Readers

Die Fähigkeit, geschriebene Texte zu verstehen, d.h. eine kohärente mentale Repräsentation von Textinhalten zu erstellen, ist eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche schulische und außerschulische Entwicklung. Es ist daher ein zentrales Anliegen des Bildungssystems Leseschwierigkeiten frühzeitig zu diagnostizieren und mithilfe zielgerichteter Interventionsprogramme zu fördern. Dies erfordert ein umfassendes Wissen über die kognitiven Teilprozesse, die dem Leseverstehen zugrunde liegen, ihre Zusammenhänge und ihre Entwicklung. Die vorliegende Dissertation soll zu einem umfassenden Verständnis über das Leseverstehen beitragen, indem sie eine Auswahl offener Fragestellungen experimentell untersucht. Studie 1 untersucht inwieweit phonologische Rekodier- und orthographische Dekodierfertigkeiten zum Satz- und Textverstehen beitragen und wie sich beide Fertigkeiten bei deutschen Grundschüler(inne)n von der 2. bis zur 4. Klasse entwickeln. Die Ergebnisse legen nahe, dass beide Fertigkeiten signifikante und eigenständige Beiträge zum Leseverstehen leisten und dass sich ihr relativer Beitrag über die Klassenstufen hinweg nicht verändert. Darüber hinaus zeigt sich, dass bereits deutsche Zweitklässler(innen) den Großteil geschriebener Wörter in altersgerechten Texten über orthographische Vergleichsprozesse erkennen. Nichtsdestotrotz nutzen deutsche Grundschulkinder offenbar kontinuierlich phonologische Informationen, um die visuelle Worterkennung zu optimieren. Studie 2 erweitert die bisherige empirische Forschung zu einem der bekanntesten Modelle des Leseverstehens—der Simple View of Reading (SVR, Gough & Tunmer, 1986). Die Studie überprüft die SVR (Reading comprehension = Decoding x Comprehension) mithilfe optimierter und methodisch stringenter Maße der Modellkonstituenten und überprüft ihre Generalisierbarkeit für deutsche Dritt- und Viertklässler(innen). Studie 2 zeigt, dass die SVR einer methodisch stringenten Überprüfung nicht standhält und nicht ohne Weiteres auf deutsche Dritt- und Viertklässler(innen) generalisiert werden kann. Es wurden nur schwache Belege für eine multiplikative Verknüpfung von Dekodier- (D) und Hörverstehensfertigkeiten (C) gefunden. Der Umstand, dass ein beachtlicher Teil der Varianz im Leseverstehen (R) nicht durch D und C aufgeklärt werden konnte, deutet darauf hin, dass das Modell nicht vollständig ist und ggf. durch weitere Komponenten ergänzt werden muss. Studie 3 untersucht die Verarbeitung positiv-kausaler und negativ-kausaler Kohärenzrelationen bei deutschen Erst- bis Viertklässler(inne)n und Erwachsenen im Lese- und Hörverstehen. In Übereinstimmung mit dem Cumulative Cognitive Complexity-Ansatz (Evers-Vermeul & Sanders, 2009; Spooren & Sanders, 2008) zeigt Studie 3, dass die Verarbeitung negativ-kausaler Kohärenzrelationen und Konnektoren kognitiv aufwändiger ist als die Verarbeitung positiv-kausaler Relationen. Darüber hinaus entwickelt sich das Verstehen beider Kohärenzrelationen noch über die Grundschulzeit hinweg und ist für negativ-kausale Relationen am Ende der vierten Klasse noch nicht abgeschlossen. Studie 4 zeigt und diskutiert die Nützlichkeit prozess-orientierter Lesetests wie ProDi- L (Richter et al., in press), die individuelle Unterschiede in den kognitiven Teilfertigkeiten des Leseverstehens selektiv erfassen. Hierzu wird exemplarisch die Konstruktvalidität des ProDi-L-Subtests ‚Syntaktische Integration’ nachgewiesen. Mittels explanatorischer Item- Repsonse-Modelle wird gezeigt, dass der Test Fertigkeiten syntaktischer Integration separat erfasst und Kinder mit defizitären syntaktischen Fertigkeiten identifizieren kann. Die berichteten Befunde tragen zu einem umfassenden Verständnis der kognitiven Teilfertigkeiten des Leseverstehens bei, das für eine optimale Gestaltung des Leseunterrichts, für das Erstellen von Lernmaterialien, Leseinstruktionen und Lehrbüchern unerlässlich ist. Darüber hinaus stellt es die Grundlage für eine sinnvolle Diagnose individueller Leseschwierigkeiten und für die Konzeption adaptiver und zielgerichteter Interventionsprogramme zur Förderung des Leseverstehens bei schwachen Leser(inne)n dar.

Theory for the Photoacoustic Response to X-Ray Absorption

A microscopic theory is presented for the photoacoustic effect induced in solids by x-ray absorption. The photoacoustic effect results from the thermalization of the excited Auger electrons and photoelectrons. We explain the dependence of the photoacoustic signal S on photon energy and the proportionality to the x-ray absorption coefficient in agreement with recent experiments on Cu. Results are presented for the dependence of S on photon energy, sample thickness, and the electronic structure of the absorbing solid.

Theory of laser-induced ultrafast structural changes in solids

The present thesis is a contribution to the study of laser-solid interaction. Despite the numerous applications resulting from the recent use of laser technology, there is still a lack of satisfactory answers to theoretical questions regarding the mechanism leading to the structural changes induced by femtosecond lasers in materials. We provide here theoretical approaches for the description of the structural response of different solids (cerium, samarium sulfide, bismuth and germanium) to femtosecond laser excitation. Particular interest is given to the description of the effects of the laser pulse on the electronic systems and changes of the potential energy surface for the ions. Although the general approach of laser-excited solids remains the same, the potential energy surface which drives the structural changes is calculated with different theoretical models for each material. This is due to the difference of the electronic properties of the studied systems. We use the Falicov model combined with an hydrodynamic method to study photoinduced phase changes in cerium. The local density approximation (LDA) together with the Hubbard-type Hamiltonian (LDA+U) in the framework of density functional theory (DFT) is used to describe the structural properties of samarium sulfide. We parametrize the time-dependent potential energy surface (calculated using DFT+ LDA) of bismuth on which we perform quantum dynamical simulations to study the experimentally observed amplitude collapse and revival of coherent $A_{1g}$ phonons. On the basis of a time-dependent potential energy surface calculated from a non-orthogonal tight binding Hamiltonian, we perform molecular dynamics simulation to analyze the time evolution (coherent phonons, ultrafast nonthermal melting) of germanium under laser excitation. The thermodynamic equilibrium properties of germanium are also reported. With the obtained results we are able to give many clarifications and interpretations of experimental results and also make predictions.