Kognitive Belastung beim selbständigen Experimentieren mit Videoinstruktionen

Die Theorie der kognitiven Belastung (Cognitive Load Theory) ist eine international bedeutsame Lehr-Lern-Theorie mit weitreichendem Einfluss auf die Erforschung der Gestaltung von Lernumgebungen auch im naturwissenschaftsdidaktischen Kontext. Während kognitive Belastung, ihre Facetten sowie ihre Auswirkungen auf Leistung und Lernerfolg in den vergangenen Jahrzehnten in gut strukturierten Lernbereichen und Paper-Pencil-Problemlösekontexten gut erforscht worden sind, besteht weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich der Anwendung der Cognitive Load Theory auf komplexe Problemlösesituationen und Lernumgebungen mit praktischen Anteilen. Beides sind Merkmale des selbständigen Experimentierens von Schülerinnen und Schülern, welches im modernen Physikunterricht eine große Bedeutung besitzt. Insbesondere existiert trotz umfassender Forschung im naturwissenschaftsdidaktischen Bereich kein allgemein erfolgreiches Konzept zur Gestaltung von Experimentiersituationen mit umfassendem Lernerfolg von Schülerinnen und Schülern hinsichtlich der Vielzahl an wünschenswerten Wissens- und Kompetenzaspekten, die durch selbständiges Experimentieren gefördert werden sollen. Es besteht weiterhin Bedarf an der Erforschung förderlicher Gestaltungsmaßnahmen solcher Experimentiersituationen. Hierfür bildet die Theorie der kognitiven Belastung eine vielversprechende Grundlage.

Die vorliegende Arbeit zielt daher darauf ab, Effekte und Mechanismen von zur Aufgabenbearbeitung notwendiger (intrinsischer), durch die Gestaltung der Lernumgebung bedingter (extrinsischer) und lernbezogener kognitiver Belastung in Situationen selbständigen Experimentierens aufzuklären und adäquate Instruktionsmaßnahmen zu entwickeln, die in der Lage sind, den Lernerfolg durch das Experimentieren zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden neben einer Diskussion der theoretischen Grundlagen kognitiver Belastung im experimentellen Kontext drei Studien durchgeführt und berichtet.

Zunächst wurden in einer qualitativen Studie unter Verwendung von Interviewmethodik und lautem Denken Aspekte kognitiver Belastung einer traditionellen und einer forschend angelegten Experimentiersituation exploriert. Die Ergebnisse deuten eine Unterrepräsentation lernbezogener Belastung im Experimentieren beider Formate an, wobei intrinsische Belastungsfaktoren vorrangig in Vorbereitungs-, Planungs- und Auswertungsphase des Experimentierens zutage tritt, extrinsische Belastung hingegen die Hands-on-Phasen des Experimentierens dominiert. Weiterhin deutet sich ein Split Attention Effekt zwischen der schriftlichen Experimentieranleitung und den Gegebenheiten der realen Versuchsumgebung an.

Um diesen Belastungsursachen zu begegnen wurden einerseits eine Videoinstruktion zum Experimentieren mit dem Ziel der Reduktion von Split Attention und andererseits eine Erklärvideoinstruktion mit dem Ziel der Überbrückung extrinsisch belastender Hands-on-Tätigkeiten aus dem Experimentierprozess entwickelt und in quantitativem Setting evaluiert.

Zunächst erfolgte eine Pilotierung der verwendeten Lernmaterialien und entwickelten Instrumente zur Messung kognitiver Gesamtbelastung, intrinsischer, extrinsischer und lernbezogener Belastung sowie des themenspezifischen Fachwissens unter gleichzeitiger Betrachtung eines ersten experimentellen Vergleichs von schriftlicher Instruktion und Videoinstruktion an einer zunächst begrenzten Stichprobe (N = 105) von Schülerinnern und Schülern der Jahrgänge 9 bis 11. Hier zeigte sich, dass eine zunächst schwache Reduktion extrinsischer Belastung durch die Videoinstruktion erreicht werden konnte, deren Vorteile sich allerdings nicht auf die lernbezogene Belastung und den Lernerfolg übertragen ließen.

Die Ergebnisse wurden nach Überarbeitung der Materialien und Instrumente sowie unter Hinzunahme der Erklärvideoinstruktion in den Gruppenvergleich an einer umfangreicheren Stichprobe (N = 667) derselben Zielgruppe mit geringfügigen Abweichungen bestätig. Die Videoinstruktion erreicht hier zwar eine Reduktion der kognitiven Gesamtbelastung gegenüber der schriftlichen Instruktion, allerdings vorrangig aufgrund einer Reduktion der intrinsischen Belastung und nicht der extrinsischen. Der Vorteil überträgt sich weiterhin nicht auf den Lernerfolg, der sich zwischen beiden Instruktionsvarianten nicht unterscheidet. Die Erklärvideoinstruktion erweist sich als kognitiv belastender als die übrigen beiden Instruktionsvarianten und zudem als kaum lernerfolgreich.

Die Ergebnisse zeigen insgesamt einerseits das Potential zur Verbesserung des Lernerfolgs durch selbständiges Experimentieren durch das Adressieren von Effekten kognitiver Belastung, allerdings erreichen die eingesetzten Videomaterialien zunächst nicht die erwünschte Wirkung auf die Experimentierprozesse von Schülerinnen und Schülern. Mögliche Ansätze zur weiteren Aufklärung der beobachteten Effekte sowie theoretische und praktische Implikationen der Ergebnisse hinsichtlich kognitiver Belastung beim selbständigen Experimentieren werden diskutiert.