Assessing cognitive achievement and affective outcomes on chemistry-related activities in a bilingual science lab for school students

Hollweck, Sezen (2023): Assessing cognitive achievement and affective outcomes on chemistry-related activities in a bilingual science lab for school students. Dissertation, LMU München: Fakultät für Chemie und Pharmazie

Abstract

Umfassende Veränderungsprozesse zu neuen Technologien, die dem globalen Wandel unterliegen, rufen in westlichen Nationen eine zunehmende Nachfrage an naturwissenschaftlich-technisch vorgebildetem Personal hervor. So scheint es wenig überraschend, dass sich die Berichte über den Nachwuchskräftemangel im MINT-Bereich in Ländern wie Deutschland, Israel oder den USA in den letzten Jahrzehnten zusehends häuften. Eine vielfach erwähnte Ursachenzuschreibung findet sich in der - aus Sicht junger Menschen - mangelnden Relevanz naturwissenschaftlicher Schulfächer für das eigene Leben wieder. Zu selten werden im Unterricht aktuelle und noch weniger praxisbezogene Aspekte mit Realbezug in den naturwissenschaftlichen Unterricht integriert, die der Schülerschaft deren alltägliche Bedeutung nahebringen. Um diese Fächer attraktiver zu gestalten, haben sich in Deutschland und weiteren europäischen Ländern mit dem außerschulischen Lernort Schülerlabor den Schulunterricht ergänzende, erfolgreiche Lernumgebungen etabliert. Diese gewähren den Lernenden durch authentische Vermittlung aktueller und anwendungsbezogener Forschungsarbeiten Einblicke in die Wissenschaft. Auch wenn sich in der Vergangenheit bei der Untersuchung derartiger Initiativen häufig nur kurzfristig positive Effekte abbilden ließen, erweiterte sich dennoch das Angebot an Schülerlabor hinsichtlich ihrer Rahmenbedingungen. So beschäftigten sich jüngste Arbeiten auch mit der Konzeption bilingualer Lernarrangements. Diese bergen enormes Potential interdisziplinäre Kompetenzen von Lernenden zu fördern, die in der naturwissenschaftlichen Grundbildung neben fachlichen und fachpraktischen Fähigkeiten aufgrund der globalen Vernetzung immer bedeutsamer werden. Der Einsatz der heute dominanten Wissenschaftssprache Englisch stellt dabei ein wichtiges Werkzeug für den Diskurs gesellschafts-relevanter Themen in den Naturwissenschaften und neuen Technologien dar. Die raren Studien aus dem Fachbereich der Biologie bestätigen den Erfolg, der sich durch den im Lernort integrierten interdisziplinären Lehransatz Content and Language Integrated Learning auf in der Schülerlaborbegleitforschung untersuchte Zielvariablen widerspiegelt. Bisher ist jedoch weder bekannt, welche Auswirkungen die Umsetzung eines derartigen Lernsettings auf den Fachbereich Chemie hat, noch ob diese nachhaltig reproduzierbar sind. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit dieser Forschungslücke nachgegangen und untersucht, welche kognitiven wie affektiven Effekte das bilinguale Modul zum Forschungsgebiet der Nanotechnologie hervorbringt. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer schulischen Einbindung des Lernorts durch eine Vor- und Nachbereitung der im Schülerlabor behandelten Inhalte hinsichtlich der Langzeiteffekte benannter Konstrukte betrachtet. Im Schülerlabor LMUchemlab standen somit für das bilinguale Modul Modern Materials drei Forschungsschwerpunkte im Fokus: Das Fachwissen (1), die tätigkeitsbezogene intrinsische Motivation (2) und das Fähigkeitsselbstkonzept im Fach Chemie (3). Neben eigens konzipierten wurden auch bereits erprobte Versuche aus dem Schülerlaborprogramm klick! der Kieler Forschungswerkstatt aus der Christian-Albrechts Universität zu Kiel angeboten. Überdies wurde in einer Nebenstudie am ¨ Weizmann Institute of Science ein ähnliches Setting geschaffen, um arabisch- und jüdisch-israelische Schüler*innen zu zwei (1,2) der drei genannten Ziele zu beforschen. In einem quasi-experimentellen Design mit quantitativem Ansatz wurden die gesetzten Ziele evaluiert. Hierzu wurden 393 Schüler*innen der Sekundarstufe II in der Hauptstudie im Rahmen der Intervention untersucht. Das Modul wurde sowohl bilingual-Englisch als auch monolingual-Deutsch angeboten. Die Fragebogenerhebung erfolgte als Papier-und-Bleistifttest, der jeweils vor (Prä-prä, Prä-test) und nach der Intervention (Post-test, Follow-Up) eingesetzt wurde. In der am Weizmann Institute of Science durchgeführten Nebenstudie wurden in einer verkürzten Version des Settings 199 Teilnehmende in einem Prä-Post Studiendesign untersucht. Dabei fand die Intervention sowohl monolingual-Arabisch, monolingual-Hebräisch als auch bilingual-Englisch (Arabisch oder Hebräisch) statt. Die Ergebnisse der Hauptstudie zum Forschungsschwerpunkt Fachwissen (1) lassen auf vergleichbare kognitive Zuwächse schließen. Demnach hatte der Einsatz der Fremdsprache Englisch keinen negativen Einfluss auf den fachwissenschaftlichen Wissenserwerb. Die hierzu angebotene Vor- und Nachbereitung führte jedoch zu vernachlässigbaren Effekten auf die Behaltensleistung teilnehmender Schülerinnen und Schüler. Weiterhin konnten durch eine hierarchische Clusteranalyse drei Lernertypen (sprachlich begabt (1), sprachlich und naturwissenschaftlich begabt (2), naturwissenschaftlich begabt (3)) ermittelt werden. Dabei erwies sich die bilinguale Intervention für Lernende mit sowohl sprachlichen als auch naturwissenschaftlichen Dispositionen als vorteilhaft. Deutliche Unterschiede brachte hingegen die Messung affektiver Konstrukte zwischen den monolingual und bilingual instruierten Schülerinnen und Schülern hervor. Demnach ergaben sich für den Forschungsschwerpunkt Motivation (2) messbare Differenzen in der intrinsischen Motivation, die durch den Einsatz der Fremdsprache bewirkt wurden. Das bilinguale Setting stellte sich somit als weniger intrinsisch motivierend heraus und schien bis auf die Sub-Skala zur wahrgenommenen Kompetenz keine Langzeiteffekte hervorzurufen. Hier konnten zudem die Vornoten im Fach Chemie, sowie die Sub-Skalen Interesse/Freude, wahrgenommene Kompetenz und wahrgenommene Wahlfreiheit als Prädikatoren der tätigkeitsbezogenen intrinsische Motivation ausgemacht werden. Hinsichtlich des Forschungsschwerpunktes zum chemischen Fähigkeitsselbstkonzept (3) konnten in der bilingualen Intervention unabhängig vom Lernertyp keine signifikanten Unterschiede gemessen werden. Lediglich in der monolingualen Gruppe ergaben sich schwache positive Effekte auf naturwissenschaftlich interessierte Schüler*innen. Hier konnte zumindest ein kurzfristiger Anstieg des chemischen Fähigkeitsselbstkonzeptes nachgewiesen werden. Weiterhin ließen sich in der bilingualen Intervention für die Vor- und Nachbereitung keine Einflüsse auf das Fähigkeitsselbstkonzept der Lernenden nachweisen. Ähnlich wie für die Variable Motivation konnte ein Zusammenhang zwischen der Chemie Vornote und dem Geschlecht der Lernenden zum chemischen Fähigkeitsselbstkonzept ermittelt werden. Auch in der am Weizmann Insititute of Science durchgeführten Nebenstudie konnten, unabhängig von der Instruktionssprache, ähnliche Fachwissenszuwächse zwischen arabisch israelischen und jüdisch-israelischen Schüler*innen im bilingualen Modul nachgewiesen werden. Die Untersuchung zeigte weiterhin, dass die arabisch-bilingual instruierten Schüler*innen ein signifikant höheres Druckempfinden nach der Intervention aufwiesen, wodurch die intrinsische Motivation der Lernenden negativ beeinflusst wurde. Angesichts der Ergebnisse dieser Studie, lässt sich einschränkend festhalten, dass eine Implementierung des integrativen Lehransatzes in einem naturwissenschaftlich geprägten Schülerlabor das Potential birgt, interdisziplinäre Kompetenzen im Fach Chemie zu fördern. Des weiteren zeigt sich für das schulische Lernen, dass ein stärkerer Realbezug durch den authentischen Einsatz der Sprache Englisch im Fach Chemie gefördert werden kann. Dabei wird sinnstiftendes Lernen zu global diskutierten Themen ermöglicht.

Abstract

Due to global developments created by wide-ranging transformation trends in new technologies, many Western nations are facing a growing demand for scientifically and technically trained employees. Consequently, reports of a shortage of young STEM professionals in countries such as Germany, Israel and the US may not come surprising but even accumulated over the past few decades. One of the identified reasons that lead to this development is that science education has been perceived as irrelevant in young adults' daily life. In most science lessons, latest research is still rarely included nor does it provide students with practical examples of real-world relevance that would help to understand the importance of the field. In order to make these subjects more attractive, out-of-school learning environments were successfully entrenched in Germany and other European countries. These science labs for school students describe a distinct form of extracurricular settings that complement school science by providing learners with an authentic insight into current and applied research. Even though in the past, most studies in this field produced only temporary positive effects, the broad variety of science labs for school students has nevertheless expanded leading to new establishments differing in their conditions. Recent studies thereby addressed the conception of bilingual learning arrangements. These bear an enormous potential to promote learners' interdisciplinary competencies. Besides subject-specific and practical skills these competences have become even more important for scientific literacy. English as today's dominant language of science represents an important tool for the discourse of socially relevant topics in the natural sciences and new technologies. The rare studies from the field of biology confirmed the success reflected by the integration of the interdisciplinary teaching approach Content and Language Integrated Learning in the learning site on target variables researched in science labs for school students. To date, however, the effects of implementing this laboratory variable in chemistry are neither understood nor known to be reproducible in the long-term. Therefore, the present work addressed this research gap and investigated the impact on cognitive and affective constructs of a bilingual module on experiments with a nanotechnological background. In addition, the influence of a school-based preparation and follow-up of the contents dealt with in the science lab for school students was considered in order to examine possible long-term effects. Against this background, the investigation of the science lab for school students LMUchemlab on the bilingual module Modern Materials focused on three main research areas: subject knowledge (1), activity-related intrinsic motivation (2) and the chemistry self-concept (3). Besides experiments that were designed specifically for this purpose, already tested experiments from the science labs for school students' program klick! of the Kieler Forschungswerkstatt provided by the Christian-Albrechts University, Kiel were also offered in the learning site. Moreover, in a side study at the Weizmann Institute of Science, a similar setting was created to examine Arab- and Jewish-Israeli students on two (1,2) of the three aforementioned objectives. The study followed a quasi-experimental design with a quantitative approach to evaluate the set objectives. 393 secondary level II students took part in the main study. The module was offered both bilingually-English as well as monolingually-German. The evaluation was conducted using a paper-and-pencil test, which was administered before (pre-pretest, pretest) and after the intervention (posttest, follow-up). In the side study conducted at the Weizmann Institute of Science, an abbreviated version of the setting was applied to examine 199 participants in a pre-post study design. Here, the intervention took place in both monolingual-Arabic, monolingual-Hebrew, and bilingual-English (Arabic or Hebrew). Results from the main study on the research focus subject knowledge (1) suggest comparable cognitive gains. According to these findings, the use of English as a foreign language had no negative influence on the acquisition of scientific knowledge. However, the preparation and follow-up offered for this purpose led to negligible retention effects.\\ In this regard, three learner types (language-oriented (1), all-rounder (2), science-oriented (3)) were identified through a hierarchical cluster analysis. The bilingual intervention proved to be particularly beneficial for learners with both linguistic and scientific dispositions (all-rounder students). Contrary, the measurement of affective constructs revealed clear differences between the monolingually and bilingually instructed students. Measurable variances were found for the research focus on motivation (2) based on the foreign language use. As a result, the bilingual setting turned out to be less intrinsically motivating and did not seem to produce any long-term effects except for the sub-scale on \textit{perceived competence}. In addition, students' previous grades in chemistry, as well as the sub-scales interest/pleasure and perceived competence, were found to be predictors of students' activity-based intrinsic motivation. Regarding the research focus on learners' chemistry self-concept (3), no significant differences have been measured in the bilingual intervention regardless of the type of learner. Only in the monolingual group weak positive effects were found among science-oriented students. Here, at least a short-term increase in learners' chemistry self-concept could be demonstrated. Furthermore, the preparation and post-processing had no effects on students' chemistry self-concept in the bilingual intervention. Similar to the variable motivation, a relation was found between students' chemistry grade, gender and their chemistry self-concept. Likewise, the side study conducted at the \textit{Weizmann Institute of Science} demonstrated similar increases in subject knowledge among Arab-Israeli and Jewish-Israeli students, regardless of the language of instruction. The study further showed that the Arabic-bilingual instructed students exhibited a significantly higher sense of pressure after the intervention, resulting in a negative impact on the learners' intrinsic motivation. In the light of the results this study has brought about, it can be concluded that implementing CLIL in a bilingual science lab for school students has the potential to promote students' interdisciplinary competencies in chemistry. Moreover, it was demonstrated that the authentic use of English in such a setting fosters a stronger connection to real world problems. This facilitates meaningful learning of globally discussed topics.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Schülerlabore, Nanotechnologie, Didaktische Rekonstruktion, Bilingualer Chemieunterricht
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
• Fakultäten: Fakultät für Chemie und Pharmazie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 25. Oktober 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Schwarzer, Stefan