Ausgewählte empirische Studien zur kognitiven Aktivierung

Nachdem der Begriff der kognitiven Aktivierung geklärt wurde und konstruktivistische LehrLern-Theorien als theoretische Grundlage skizziert wurden, soll in diesem Abschnitt nun auf empirische Studien zur kognitiven Aktivierung eingegangen werden. Dabei wird zunächst beschrieben, wie das Konstrukt in ausgewählten Studien operationalisiert und erfasst wurde (3.3.1). Im zweiten Abschnitt (3.3.2) werden Studien zur Wirksamkeit kognitiver Aktivierung aufgeführt.

Erfassung kognitiv aktivierenden Unterrichts

Da nicht unmittelbar beobachtbar ist, ob Lernende tatsächlich kognitiv aktiviert sind, können lediglich Indikatoren dafür auf Seiten der Schülerinnen und Schüler und der Lehrperson beobachtet werden: Auf Lehrerseite kann sich eine kognitiv anregende Unterrichtsgestaltung im Stellen anspruchsvoller Aufgaben oder in der Induktion kognitiver Konflikte manifestieren. Des Weiteren tragen Hinweise auf Unterschiede in Ideen, Konzepten, Positionen, Interpretationen und Lösungen, aktivierende Fragen oder die Anregung, sich intensiv über Konzepte und Ideen auszutauschen zur kognitiven Anregung der Schülerinnen und Schüler bei. Auf Schülerseite können das Stellen von Fragen, das Übertragen des erworbenen Wissens auf neue Situationen oder das Herstellen von Querverbindungen als Indikatoren gelten (Lipowsky, 2009). Die Operationalisierung des Konstrukts kognitive Aktivierung unterscheidet sich jedoch in den einzelnen Studien voneinander, sodass die Forschungsergebnisse dazu nur bedingt vergleichbar sind (Leuders & Holzäpfel, 2011). Im Folgenden wird skizziert, wie kognitive Aktivierung in ausgewählten bisherigen Studien erfasst wurde, um aufzuzeigen, wie das Konstrukt von unterschiedlichen Forschergruppen und für verschiedene Fächer und Jahrgangsstufen konzeptualisiert wird. Meist werden dabei hoch inferente Ratinginstrumente eingesetzt, um die tieferliegenden Qualitätsaspekte des Unterrichts und der Lehrer-Schüler-Interaktion zu erfassen (Pauli et al., 2008). Natürlich können nicht alle Studien, die kognitive Aktivierung oder verwandte Konstrukte untersucht haben, hier aufgeführt werden. Daher beschränkt sich die Darstellung vorwiegend auf einschlägige Studien, welche die Methode der Unterrichtsbeobachtung genutzt haben. Weitere einzelne Skalen, die sich dem Konstrukt der kognitiven Aktivierung zuordnen lassen, finden sich beispielsweise in der Datenbank zur Qualität von Schule des Deutschen Instituts für Internationale Pädagogische Forschung (DaQS). ^[1]

Die Videostudie der Dritten Internationalen Mathematikund Naturwissenschaftsstudie (TIMSS)

Klieme und Kollegen (2001) entwickelten in Anlehnung an das japanische Konzept „openended-problem-solving“ Qualitätskriterien für einen kognitiv aktivierenden (Mathematik-) Unterricht zu folgenden drei Merkmalen:

Ÿ Offenheit von Aufgaben und Lösungswegen,

Ÿ Agieren der Lehrperson als Mediator (Ideen der Lernenden werden in den Kontext der Stunde eingeordnet, Schülerbeiträge werden wechselseitig aufeinander bezogen, Fehler werden nicht unmittelbar korrigiert etc.)

Ÿ und Fokussierung, also beispielsweise die explizite Benennung des Stundenziels, dessen vollständige Bearbeitung und eine schließende Zusammenfassung.

Ein Beurteilungssystem zum problemlösenden Unterricht, das unter anderem diese drei Aspekte erfassen soll, wurde von Klieme und Clausen (1999) auf die deutsche Stichprobe der TIMSS-Videos angewendet und zeigt, dass offene Aufgaben und Lösungswege im deutschen Mathematikunterricht eher selten vorkommen. Die beiden weiteren Aspekte – Rolle der Lehrperson als Mediator und Fokussierungshilfen – sind annähernd normalverteilt.

Clausen und Kollegen (2003) setzten zur Beurteilung einer Teilstichprobe von 60 Unterrichtsvideos im Fach Mathematik aus Deutschland und der deutschsprachigen Schweiz ein erweitertes Instrument mit insgesamt 94 Items ein, die faktorenanalytisch zu den vier Skalen Instruktionseffizienz, Schülerorientierung, kognitive Aktivierung sowie Klarheit und Strukturiertheit zusammengefasst wurden. Zur Skala kognitive Aktivierung gehören hierbei die Items mathematische Produktivität, anspruchsvolles Üben, Lehrer als Mediator, Pacing, Motivierungsfähigkeit sowie als negative Merkmale repetitives Üben und Sprunghaftigkeit.

Die TIMSS-Unterrichtsvideos wurden auch in der Dissertation von Kunter (2005) mit einem hoch inferenten Ratingverfahren ausgewertet, das in Anlehnung an das Kategoriensystem Konstruktivistisch orientierter naturwissenschaftlicher Unterricht (KONU) (Widodo & Duit, 2001, 2005) konstruktivistische Elemente der Unterrichtsgestaltung erfassen soll. Als drei übergeordnete Bereiche konstruktivistischer Unterrichtsgestaltung erfasste Kunter (2005) die Ermöglichung einer aktiven Wissenskonstruktion (Lernstatus bewusst machen, Exploration des Vorwissens, herausfordernde Probleme, evolutionärer Umgang mit Schülervorstellungen), das Aufzeigen der Relevanz der Lerninhalte durch die Lehrkraft (Alltagsbezug, Aufzeigen von Anwendungsmöglichkeiten) und die Unterstützung beim eigenständigen Lernen (Bereitstellen von Freiräumen, Ermutigung zum Überdenken eigener Vorstellungen). Ein Vergleich mit früheren Kodierungen ergibt, dass die Skala aktive Konstruktion von Kunter (2005) einen signifikanten mittelhohen Zusammenhang von r = .43 zum Merkmal kognitive Aktivierung von Clausen (2002) und Klieme und Kollegen (2001) aufweist.

Die schweizerisch-deutsche Videostudie „Unterrichtsqualität, Lernverhalten und mathematisches Verständnis“

Im Rahmen der schweizerisch-deutschen Videostudie „Unterrichtsqualität, Lernverhalten und mathematisches Verständnis“ (Hugener, Pauli & Reusser, 2006) wurden Aspekte des kognitiv aktivierenden Umgangs mit Aufgaben kodiert. Dazu wurde sowohl die Aufgabenstellung untersucht (Drollinger-Vetter, 2006) als auch die Art der Aufgabenbearbeitung (Drollinger-Vetter & Lipowsky, 2006b). Als weitere Indikatoren für kognitive Aktivierung wurde die Kodierung aller Schülerarbeitsphasen bezüglich anspruchsvollem vs. repetitivem Üben (Hugener, 2006a) verwendet sowie die durchschnittliche Länge von Schüleräußerungen im öffentlichen Unterricht (Lipowsky, Rakoczy, Pauli, Reusser & Klieme, 2007). Ergebnisse dieser Kodierungen werden von Pauli et al. (2008) berichtet: Dabei unterscheidet sich die Ausprägung der Qualitätsaspekte nicht in Abhängigkeit vom methodischen Vorgehen beim Begriffsaufbau (geführt vs. explorativ). Die strukturelle Klarheit der Theoriephasen wird mit einem Mittelwert von 2.63 bzw. 2.76 auf einer vierstufigen Skala recht positiv eingeschätzt, die Schülerbeiträge haben eine durchschnittliche Länge von etwa sechs Wörtern und der Anteil anspruchsvoller Übungsphasen ist mit knapp 5 % eher gering ausgeprägt.

Rakoczy und Pauli (2006) entwickelten außerdem ein hoch inferentes Instrument zur Beurteilung der Unterrichtsqualität, aus der – in Anlehnung an Kunter (2005) – die Skala Unterstützung bei der Konstruktion von Wissen resultiert, die auch als Indikator für kognitive Aktivierung gelten kann (Drollinger-Vetter, 2011). Die Skala besteht aus den Items herausfordernde Probleme, Exploration des Vorwissens, Exploration von Denkweisen, evolutionärer Umgang und dem umgepolten Item rezeptives Lernverständnis (Rakoczy & Pauli, 2006; Hugener, Pauli & Reusser, 2007; Drollinger-Vetter, 2011). Mit einem Mittelwert von 1.77 auf einer vierstufigen Ratingskala ist die kognitive Aktivierung in den beobachteten 38 Unterrichtsstunden eher gering ausgeprägt (Drollinger-Vetter, 2011).

Erfassung von prozessorientierter Lernbegleitung in der IPN-Videostudie „Lehr-Lern-Prozesse im Physikunterricht“

Wie bereits in Abschnitt 3.1.2 beschrieben, weist das Konzept der (prozessorientierten) Lernbegleitung Ähnlichkeit zum Konstrukt der kognitiven Aktivierung auf. Zur Auswertung der IPNVideostudie (Seidel, Prenzel, Duit & Lehrke, 2003) entwickelten Kobarg und Seidel (2003) ein hoch inferentes Instrument zur Beurteilung der Qualität von Lernbegleitung. Neben verschiedenen niedrig inferenten Kodierungen zur Kodierung von Lehrerund Schüleräußerungen (Länge und Art der Äußerungen; Kodierung der Arten der Fragen und Rückmeldungen sowie der Funktionen von Schülerbeiträgen) wurde ein hoch inferentes Ratinginstrument zur getrennten Beurteilung der Qualität der Lernbegleitung in Plenumsund in Schülerarbeitsphasen entwickelt. Die Lernbegleitung im Klassengespräch wurde anhand der folgenden Items beurteilt: lautes Denken, sachlich konstruktive Rückmeldungen, Aktivierung von Vorwissen, praxisnahe Anwendungsbezüge, Denkanstöße für die Lernenden, Klären von Fragen, Nutzung wissenschaftlicher Arbeitsweisen, Herstellen von Verknüpfungen zum ursprünglichen Problem, gemeinsame Planung von Problemlösungen, kritisches Überprüfen von Lösungsansätzen, gemeinsames Zusammenfassen und Verbalisierung von Lösungsansätzen. Die Qualität der prozessorientierten Lernbegleitung in Schülerarbeitsphasen wurde mit folgenden Kriterien eingeschätzt: Lehrperson geht herum und beobachtet, Lehrperson steht für Fragen zur Verfügung, Hilfestellungen auf Nachfrage, Gespräche mit Schülergruppen, sachlich konstruktive Rückmeldungen, Zurückhaltung bei inhaltlichen Problemen, andere Informationsquellen, Denkanstöße für die Lernenden, Kochrezepte zur Lösung von Aufgaben, Materialienvielfalt, Klären von Fragen, kritisches Überprüfen von Lösungsansätzen, praxisnahe Anwendungsbezüge, offene Aufgabenstellung, schriftliche Aufgabenstellung sowie Einbettung der Schülerarbeitsphase. Insgesamt zeigt die Auswertung, dass die verschiedenen erfassten Aspekte prozessorientierter Lernbegleitung nur im Ansatz im videografierten Unterricht realisiert werden (Kobarg & Seidel, 2007).

Kognitive Aktivierung in der PERLE-Videostudie im Fach Mathematik

Lauterbach, Gabriel und Lipowsky (2013) entwickelte im Rahmen des PERLE-Projekts ein hoch inferentes Ratingsystem zur videobasierten Beurteilung kognitiver Aktivierung im Mathematikunterricht des zweiten Schuljahres in Anlehnung an Baumert und Kollegen (2009), Kunter (2005) sowie Rakoczy und Pauli (2006). Folgende sieben Items wurden dabei zur Beurteilung genutzt: Exploration von Vorwissen oder vorunterrichtlichen Vorstellungen, Exploration der Denkweisen der Schüler, kognitiv herausfordernder Umgang mit Schülerbeiträgen, induktive und problemorientierte Erarbeitung eines Sachverhalts, kognitiv aktivierende Aufgaben und Probleme, Begründungspflicht/Insistieren auf Erklärung und Begründung und Unterstützung kognitiver Selbstständigkeit.

Aufgabenkultur im Hauptschulunterricht (Kleinknecht, 2010)

Kleinknecht (2010a, b, c) fokussiert bei der Einschätzung kognitiv aktivierenden Unterrichts auf die im Unterricht gestellten Aufgaben und orientiert sich dabei zum einen an der Taxonomie kognitiver Lernziele (Anderson et al., 2001; Bloom, Engelhart, Furst, Hill & Krathwohl, 1956, 1976), indem einfache Reproduktionsaufgaben oder Aufgaben, die schrittweise ausgeführt werden können, von komplexen, kognitiv aktivierenden Aufgaben, die selbstständig ausgeführt werden, oder Problemlöseaufgaben abgegrenzt werden. Zusätzlich werden aber auch weitere allgemeine didaktische Kriterien (kognitive Aktivierung und Strukturierung) hoch inferent anhand einer vierstufigen Skala eingeschätzt. Kognitive Aktivierung setzt sich dabei aus folgenden Skalen zusammen, die wiederum jeweils aus drei bis sieben Items bestehen: Lehrer als Mediator, authentischer Bezug, argumentatives Aushandeln von Bedeutungen, Offenheit von Aufgabenstellungen und Problemlöseprozess. Kleinknecht (2010a) beurteilt die kognitive Aktivierung durch Aufgaben im Unterricht der Hauptschule anhand seiner Analysen als gering, da nur selten komplexe Aufgaben bearbeitet werden. Das hoch inferente Rating bestätigt die Ergebnisse der Aufgabenanalysen zur eher geringen Ausprägung kognitiver Aktivierung, da der Mittelwert für die Items zur kognitiven Aktivierung auf einer vierstufigen Skala bei 1.83 liegt.

Erfassung von konstruktivistischer Unterrichtsgestaltung über Unterrichtstagebücher im

„Kooperationsprojekt Identitätsund Leistungsentwicklung im Anfangsunterricht“ (KILIA)

In der KILIA-Studie wird die Unterrichtsqualität im ersten Schuljahr anhand von Unterrichtstagebüchern zu den drei Merkmalen Freiheitsspielräume, Kooperationsmöglichkeiten und konstruktivistischer Unterricht erfasst (Kammermeyer & Martschinke, 2009), wobei die Items zum konstruktivistischen Unterricht starke Ähnlichkeit zum Konstrukt der kognitiven Aktivierung aufweisen. Mit den Items dieser Skala wird eingeschätzt, inwiefern die Lehrperson die Schülerinnen und Schüler anregt, über den eigenen Lernweg nachzudenken, inwiefern Inhalte im Gespräch ko-konstruiert werden, die Lernenden Möglichkeiten zum selbstständigen Handeln haben, inwiefern ein Lernen aus Fehlern stattfindet, ob auf Interessen der Schülerinnen und Schüler eingegangen wird, ob sich die Kinder über verschiedene Lernoder Lösungswege austauschen und selbstständig wichtige Zusammenhänge entdecken.

Kognitive Aktivierung im Sachunterricht der Grundschule (Vehmeyer, 2009)

Vehmeyer (2009) entwickelte in ihrer Dissertation ein Ratinginstrument zur Beurteilung kognitiver Aktivierung im Sachunterricht des dritten und vierten Schuljahres anhand von Unterrichtsvideos der Münster'schen DFG-lnterventionsstudie aus dem Schwerpunktprogramm BIQUA (Prenzel & Allolio-Näcke, 2006). Als Aspekte einer kognitiv aktivierenden Unterrichtsgestaltung können nach der Reliabilitätsanalyse 14 Items zu folgenden übergeordneten Bereichen beibehalten werden, deren Struktur allerdings inhaltlich festgelegt und nicht anhand einer Faktorenanalyse überprüft wurde: Motivation des Unterrichts, Präkonzepte – Vorwissen aktivieren und aufgreifen, Scaffolding – Hervorhebungen, Scaffolding – Sequenzierungen, anwendungsbezogenes Lernen, eigene Ideen zulassen, Fehleroffenheit, Konfrontation, Transmission von Wissen und Laisser-faire. Dabei ergeben sich sehr unterschiedliche mittlere Ausprägungen der einzelnen Items: Während einige Items sehr positiv beurteilt wurden (z. B. Fehleroffenheit mit Mittelwerten > 3.5 auf einer vierstufigen Skala), erreichen andere Items insgesamt nur sehr niedrige Werte, wobei diese sich zum Teil auch innerhalb der beiden beobachteten Themenbereiche „Schwimmen und Sinken“ und „Wasserkreislauf“ unterscheiden.

Kognitive Aktivierung im mathematischen und schriftsprachlichen Anfangsunterricht jahrgangsgemischter und jahrgangsgetrennter Klassen (FiS-Projekt)

Im FiS-Projekt („Förderung der Bildungsprozesse von Kindern in der Schuleingangsphase“, Hein, 2007; vgl. auch Hein, Eckerth & Hanke, 2010), das 500 Schülerinnen und Schüler bis zum Ende des zweiten Schuljahres begleitet, werden die Bildungsprozesse von Kindern in der Zeit des Übergangs vom Kindergarten in die Grundschule in ausgewählten Bildungsbereichen untersucht, wobei auch die Qualität des Unterrichts betrachtet wird. Für die Unterrichtsbeobachtungen wird ein Beobachtungsverfahren zur Erfassung der Prozessqualität des Anfangsunterrichts (PGA) verwendet, das die Bereiche Klassenführung, Strukturierung, kognitive Aktivierung und individuelle Unterstützung umfasst (Eckerth, Hanke & Hein, 2012). Die kognitive Aktivierung wird anhand folgender Items erfasst: Impulsgaben, Zusammenhänge selbst herauszufinden, Nachfragen, um intensive Auseinandersetzung anzuregen, Inhalte im gemeinsamen Gespräch erarbeiten und vier Items zu eigenen Lösungswegen (erproben/darüber nachdenken/vorstellen/diskutieren). Sowohl in Mathematik als auch in Deutsch sind die Mittelwerte in den 44 beobachteten Lerngruppen insgesamt gering ausgeprägt, wobei im Mathematikunterricht noch mehr kognitive Aktivierung beobachtet werden kann (Eckerth et al., 2012). Dies könnte unter Umständen aber auch darauf zurückzuführen sein, dass sich die ausgewählten Items besser zur Beurteilung des Mathematikunterrichts eignen.

Kognitive Aktivierung im gymnasialen Grammatikunterricht (Stahns, 2013)

Das Ziel der Dissertation von Stahns (2013) bestand darin, kognitive Aktivierung für den Grammatikunterricht am Gymnasium zu operationalisieren. Neben der Kodierung der Sichtstrukturen und der verbalen Beschreibung und Analyse der videografierten Stunden aus fachdidaktischer Sicht werden folgende Merkmale als Aspekte kognitiver Aktivierung untersucht: die Länge, Häufigkeit und Art der Lehrerund Schüleräußerungen, die Engführung der Schülerinnen und Schüler im Klassengespräch, die Lernbegleitung sowie der Umgang mit Fehlern. Da nur zwei Lehrpersonen zu jeweils drei oder vier Gelegenheiten beobachtet wurden (insgesamt sieben Unterrichtsstunden), wird auf die Ergebnisse der Kodierungen und Ratings hier nicht weiter eigegangen.

Kognitive Aktivierung im naturwissenschaftlichen Sachunterricht der Grundschule (IGEL-Projekt)

Ein Projekt, das den naturwissenschaftlichen Sachunterricht im dritten Schuljahr fokussiert, ist die IGEL-Studie („Individuelle Förderung und adaptive Lern-Gelegenheiten in der Grundschule“), eine Evaluationsstudie, deren Erhebungen zur Unterrichtsqualität sich auch am Konzept der drei Basisdimension guten Unterrichts (vgl. 2.3.2.2) orientieren. Eine Fragestellung besteht im Vergleich verschiedener Perspektiven auf Unterrichtsqualität, sodass hier sowohl Lehrerund Schülerfragebögen als auch Unterrichtsbeobachtungen zum Einsatz kommen. Veröffentlicht wurden bisher nur die Items des Schülerfragebogens, in dem kognitive Aktivierung über folgende sieben Items erfasst wird: „In our science class we are working on tasks that I have to think about very thoroughly”, „Our science teacher asks me what I have understood and what I haven't”, „… asks questions that I have to think about very thoroughly”, „…gives us tasks that seem to be difficult at a first glance”, “… asks what we know about a new topic”, „… gives us tasks I like to think about” und „… wants me to be able to explain my answers” (Fauth, Decristan, Rieser & Klieme, 2014, S. 8).

Insgesamt finden sich in den einzelnen Studien teils ähnliche Aspekte zur Erfassung des Konstrukts wieder, teilweise unterscheiden sich die Art der Erfassung und auch die fokussierten Teilaspekte sehr stark. Dabei wurden zum Teil auch Versuche unternommen, das Konzept der kognitiven Aktivierung auf spezifische fachliche und fachdidaktische Aspekte auszurichten (z. B. Drollinger-Vetter & Lipowsky, 2006a). Der Großteil der vorgestellten Studien konzentriert sich dabei aber auf den mathematisch-naturwissenschaftlichen Bereich und nur wenige Untersuchungen beziehen sich auf die Grundschule. Für den Leseunterricht der Grundschule fehlen Beobachtungssysteme, die das Merkmal kognitive Aktivierung explizit untersuchen.

• [1] daqs.fachportal-paedagogik.de/ (letzter Zugriff: 17.10.2014)