Einsatz von Simulationen/interaktiver Visualisierungen zum Problemlösen

(Kauertz et al., 2010; Srisawasdi & Sornkhatha, 2014; Nerdel, 2002; Wiemann et al., 2011; Chandler & Sweller, 1991; Mayer, 2008; Schnotz & Bannert, 2003)

Abbildung: Simulation eines Photometers
(Zerouali et al., 2023).

Der naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnungsprozess selbst ist im Rahmen der fachdidaktischen Literatur als komplexes wissensbasiertes Problemlösen konzeptualisiert (Kauertz et al., 2010), weshalb es sich anbietet problembasierte Unterrichtsverfahren zur Förderung von Kompetenzen im Bereich Erkenntnisgewinnung einzusetzen.

Im Rahmen dessen können Simulationen/interaktive Visualisierungen genutzt werden um im Rahmen des Erkenntnisgewinnungsprozesses Probleme zu lösen. Simulationen und digitale interaktive Visualisierungen unterscheiden sich dabei von Animationen durch einen gewissen Grad an Manipulierbarkeit (z.B. durch Schieberegler). Lernende können somit aktiv Einfluss auf den Fort- oder Ausgang der Simulation nehmen.

Solche Simulationen oder interaktiven Visualisierungen können eine intensivere Auseinandersetzung mit dem Thema fördern (Srisawasdi & Sornkhatha, 2014) und bieten hierbei die Potentiale, dass sie zu einer besonders tiefgehenden Ergründung von Ursache-Wirkungszusammenhängen beitragen können (Nerdel, 2002).

Für den Naturwissenschaftsunterricht stellt die Toolbox Lehrerbildung Simulationen und interaktive Visualisierungen zu zwei Themenbereichen zur Verfügung:
Licht & Farbe sowie Autos & Emissionen.

Vorteile von Simulationen

Wiemann und Kollegen (2011) heben außerdem weitere Vorteile der Verwendung von Simulationen hervor:

• Kosteneffizienz – Simulationen ermöglichen den Zugang zu Materialien, die teuer oder nicht verfügbar sind.
• Zeitersparnis – Experimente oder Demonstrationen können schneller durchgeführt werden.
• Sicherheit – Gefährliche Experimente können sicher simuliert werden.
• Förderung des selbstregulierten Lernens – Lernende steuern ihren Lernprozess individuell.

⚠️ An dieser Stelle gilt es aber hervorzuheben, dass Simulationen immer nur als Ergänzung des
Unterrichts dienen sollten und reale Experimente nie vollständig ersetzen sollten.

Didaktische Einbettung von Simulationen

In Bezug auf die Nutzung von Simulationen ist bekannt, dass das Potential weitgehend von der Gestaltung und der Aufnahme in das Arbeitsgedächtnis abhängt. Eine Überlastung der Visualisierung mit zu verarbeitenden Reizen kann zu einer Überlastung im Sinne der Cognitive Load Theory führen (Chandler & Sweller, 1991).  Bei der Auswahl der Simulationen ist es daher ratsam, auch auf die Gestaltung der Simulation zu achten und ob diese zu einer Überlastung führen könnten. Eine gute Orientierung hierfür bieten die Gestaltungsprinzipien nach Mayer (2008).

ZUSATZ: VIDEOTUTORIAL ZUR COGNITIVE LOAD THEORY

Diese Seite ist derzeit noch in Bearbeitung. Hier finden Sie bald alle Inhalte zu diesem Thema.
Das dargestellte Videotutorial bietet einen detaillierten Überblick über das Thema Cognitive Load Theory und Gestaltungsprinzipien nach Mayer (2008), welches nach Bedarf angeschaut werden kann.

Videobeispiel

In Szene 1: Simulationen im Unterricht wird der Einsatz einer Simulation im Unterricht beispielhaft von Referendar Herr Müller dargestellt.

Impulsfrage:
Beschreiben Sie, wie Herr Müller die Visualisierung einbettet und wie Sie diese Einbettung wahrnehmen. Diskutieren Sie welche alternativen Einbettungen möglich wären.

Didaktische Anforderungen an die Nutzung von Simulationen

Herr Müller integriert hier die Visualisierung im Unterricht ohne gezielte Instruktion. Schnotz & Bannert (2003) zeigen jedoch, dass eine didaktisch durchdachte Einbettung bei der Implementation von Simulationen essenziell ist, um das Potential von Simulationen optimal nutzen zu können.

Grundsatz:
Simulationen sollten immer mit einer gezielten (operationalisierten) Instruktion und – wenn nötig – mit unterstützenden Erklärtexten kombiniert werden.

Im nächsten Kapitel thematisieren wir, wie eine digitalgestützte Instruktion zum selbstregulierten, problembasierten Umgang mit Simulationen aussehen kann.

© Zerouali, A., Brinkmann, J., Frömmel, M. & Koenen, J. (2024) Toolbox Lehrerbildung – ViFoNet Fortbildungsmodul: Einsatz von Simulationen/interaktiver Visualisierungen zum Problemlösen. (URL).