Eyetracking-Studie zweier U.EDU-Teilprojekte der TU Kaiserslautern erforscht Hürden bei der Lösung physikalischer und mathematischer Problemstellungen

Wie gehen Schülerinnen und Schüler beim Lösen von mathematischen und physikalischen Aufgaben vor und welche Hürden kann es dabei geben? Das untersuchte kürzlich eine Eyetracking-Studie der Technischen Universität Kaiserslautern. Im Fokus standen dabei insbesondere Fehlvorstellungen, welche in der persönlichen Erfahrungswelt begründet sind. Die Studie erfolgte im Rahmen einer Kooperation der U.EDU-Forschungsprojekte MAL-i und Hypermind 2, geleitet durch Dr. Sebastian Becker und Lynn Knippertz.

eine Frau und ein Mann sitzen an einem Tisch und blicken in einen Bildschirm, hinter Ihnen einen Bücherregal

Erfassung von Blickbewegungen beim Lösen einer Aufgabe im mathematischen Kontext und im physikalischen Kontext

© Sebastian Becker, TU Kaiserslautern/AG Physikdidaktik

Im Rahmen der Studie lösten die teilnehmenden Schülerinnen und Schüler Aufgaben zum graphischen Ableiten in Mathematik und zu linearen Graphen im mathematischen und physikalischen Kontext am Computer. Dabei wurden ihre Blickbewegungen aufgezeichnet (Eyetracking), um Wahrnehmungs- und Verarbeitungsprozesse visueller Informationen sichtbar zu machen. Das hierfür benötigte technische Equipment stellte die AG Didaktik der Physik von der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern bereit.

Anhand der Aufzeichnungen ließ sich anschließend untersuchen, inwiefern die Blickbewegungen Aufschlüsse über kognitive Prozesse während des Lösens der Aufgaben geben können. Ziel der Studie ist es, Schwierigkeiten im Problemlöseprozess zu diagnostizieren, um daraus Maßnahmen zur Förderung von fachspezifischem und fächerübergreifendem Lernen abzuleiten. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen anschließend für die Lehrkräfteausbildung genutzt werden und somit zu einer Verbesserung von schulischem Mathematik- und Physikunterricht beitragen.

"Mit dieser Studie wollen wir besser verstehen, wie Schülerinnen und Schüler Aufgaben im Bereich der Differentialrechnung lösen und warum sie gewisse Fehler machen", so Prof. Dr. Stefan Ruzika vom Fachbereich Mathematik, der das U.EDU-Teilprojekt "MAL-i - Mathematical Adaptive Learningsystems Enhanced by Eye-Tracking" leitet. "Wir untersuchen außerdem, ob dieselbe Aufgabe zu größeren Schwierigkeiten führt, wenn sie in einem physikalischen Kontext eingekleidet ist." Sein Kollege Prof. Dr. Jochen Kuhn, Leiter der AG Didaktik der Physik und des U.EDU-Teilprojekts "HyperMind 2 - Ein adaptives, eyetrackingbasiertes Lernsystem für Unterricht und Lehrerbildung in den MINT-Fächern", ergänzt: "In einem nächsten Schritt können wir Lehrkräfte besser aus- und fortbilden – speziell dazu, welche Lern- und Problemlöseprozesse in diesem fächerübergreifenden Kontext erfolgreich sind und wodurch Fehlkonzepte verhindert werden können."

Studienleiter Dr. Sebastian Becker vom U.EDU-Teilprojekt Hypermind 2 war selbst Lehrer am Veldenz Gymnasium Lauterecken. Er führte dort bereits im Februar eine Eyetracking-Studie gemeinsam mit Kathrin Kennel (AG Optimierung/KOMMS) durch und kam für diese Untersuchung gerne wieder an die Schule zurück.

Ich finde es toll, dass wir als Schule dazu beitragen können, dass mit dieser innovativen Forschungsmethodik besser erforscht werden kann, wie Schülerinnen und Schüler lernen.

Stefan Weber, Schulleiter des Veldenz Gymnasiums Lauterecken

Auch der Schulleiter des Veldenz Gymnasiums, Oberstudiendirektor Stefan Weber, zeigte sich sehr erfreut über die erneute Studienteilnahme seiner Schule. "Ich finde es toll, dass wir als Schule dazu beitragen können, dass mit dieser innovativen Forschungsmethodik besser erforscht werden kann, wie Schülerinnen und Schüler lernen. Denn dies kann helfen, zukünftigen Unterricht besser auf die individuellen Bedürfnisse einzelner Schülerinnen und Schüler abzustimmen und damit den Lernprozess individueller zu gestalten. Wir haben jetzt schon in mehreren Studien mit der TU Kaiserslautern kooperiert und planen die enge Zusammenarbeit auch in Zukunft weiterzuführen."

Die Studienleitung bedankt sich bei der Schulleitung und dem Lehrerkollegium des Veldenz Gymnasiums Lauterecken für die exzellente Unterstützung während der Vorbereitung und Durchführung vor Ort sowie bei den Schülerinnen und Schülern der MSS 11 und MSS 12 für ihre Teilnahme und ihr Interesse an der Studie.

Schaubild

Blickbewegungen ein und derselben Testperson (orange) beim Lösen einer Aufgabe im mathematischen Kontext (links) und einer gleichartigen Aufgabe im physikalischen Kontext (rechts). Die Kreise kennzeichnen dabei Augenanhalte-Punkte (Fixationspunkte), die Verbindungslinien kennzeichnen schnelle Augenbewegungen (Sakkaden) zur Erfassung eines neuen Fixationspunktes.

© eigene Darstellung, erstellt von Lynn Knippertz