Scaffolding in Technology-Enhanced Science Education

This dissertation focuses on the effectiveness of scaffolding in technology-enhanced science learning environments, and specifically the relative merits of computer- and teacher-based scaffolding in science inquiry. Scaffolding is an instructional support that helps learners solve problems, carry out tasks, or achieve goals that they are unable to accomplish on their own. Although support such as scaffolding is necessary when students engage in complex learning environments, many issues must be resolved before educators can effectively implement scaffolding in instruction. To achieve this, this dissertation includes two studies: a systematic literature review and an experimental study. The two studies attempted to reveal some important issues which are not widely recognized in the existing literature. The primary problem confronting the educator is how to determine which of the numerous kinds of scaffolding will allow them to educate students most effectively. The scaffolding forms that researchers create are often confusing, overlapping, or contradictory. In response to this, the first study critically analyzed the ways that researchers have defined and applied scaffolding, and provided suggestions for future scaffolding design and research. Moreover, studies tend to focus only on computer-based scaffolding rather than examining ways to integrate it with teacher-based instruction. Although researchers generally recognize that teacher-based support is important, research in this area is limited. The second study of this dissertation employed a quasi-experimental design with four experimental conditions, each of which include a type of computer-based procedural scaffolding (continuous vs. faded) paired with a type of teacher-based metacognitive scaffolding (early vs. late). Each class was assigned to use one of the four conditions. The findings indicated that students receiving continuous computer-based procedural and early teacher-based metacognitive scaffolding performed statistically better at learning scientific inquiry skills than other treatment groups. Students using faded computer-based procedural and early teacher-based metacognitive scaffolding showed the worst performance. However, among the four groups there existed no statistically significant difference in terms of the effect on students? ability to learn science knowledge. Moreover, teacher-based metacognitive scaffolding did not have a significant impact on either science content knowledge or scientific inquiry skills

Exchange of prior knowledge: a method to support students during collaborative inquiry learning

Die dieser Arbeit zugrunde liegende Studie untersucht den Einfluss eines Vorwissensaustausches auf den Lernerfolg von kollaborativ forschenden Schülern. Dabei haben Schüler einer Dyade vor ihrer Zusammenarbeit ihre Fachkonzepte unter Ausschluss von dritten ausgetauscht, mit dem Ziel, ihre fachliche Verständigungsebene und damit ihre Kollaboration während der Lerneinheit zu verbessern. In einer quasiexperimentellen Feldstudie, an der 68 Schüler des 11.Jahrgangs von Gymnasien in Schleswig-Holstein teilnahmen, wurde der Einfluss dieser Maßnahme auf den Wissenszuwachs und die Hypothesenanteile der Schülergespräche untersucht. Hierfür wurden Experimental- und Kontrollgruppe mit Hilfe von Vor- und Nachtests sowie Sprachaufnahmen bei einer computergestützten Lerneinheit zum Treibhausmodel verglichen. Es wurden vielversprechende, signifikante Effekte gefunden, wobei tiefergehende Analysen der Gesprächsauswertung nicht konform mit Befunden im internationalen Bereich gehen.This study examines the influence of exchanging prior knowledge towards the learning success of students during collaborative inquiry. This method (PreKnowledgeExchange) enables the students to explore their shared knowledge already before working together. It aims at the students improving their common ground and therefore their collaboration during the learning process. Research concerning the influence of this method towards an increase in the domain knowledge and hypothesis generation, was done during a field study, in which 68 11th graders of a German secondary school in Schleswig-Holstein participated. Experimental and control groups were compared for this by means of pre- and post-tests as well as audio recording material during a computer based greenhouse-simulation. The results were promising and significant, whereas the analysis of the evaluation of the conversations is not corresponding with results taken internationally

Discovery experimenting – Learning effects of strategy use

Ausgangspunkt dieser Arbeit war der Kontrast zwischen dem Bildungsziel der Entwicklung wissenschaftsmethodischer Kompetenzen zum Erlangen tiefergehenden Verständnisses naturwissenschaftlicher Inhalte (Fischer et al., 2004; KMK, 2005; Ministerium für Schule, 2004) sowie der dazu gelegte Schwerpunkt auf das Experimentieren (Hammann et al., 2007) und den Erkenntnissen des geringen Lernerfolgs beim Experimentieren (Hofstein & Lunetta, 1982; Hucke & Fischer, 2002). Vor diesem Hintergrund wurde die Strategieanwendung beim Experimentieren hinsichtlich des zu erwerbenden deklarativ-konzeptuellen Wissens und des Handlungswissens untersucht. Dazu wurde das Experimentieren basierend auf dem Scientific discovery as Dual Search Modell (SDDS; Klahr & Dunbar, 1988) als selbständig entdeckendes Experimentieren konzeptioniert. Angenommen wird, dass Lernende beim erfolgreichen selbständig entdeckenden Experimentieren zwei aufeinander bezogene Fertigkeiten beherrschen: das Aufstellen von Hypothesen und die Durchführung von Experimenten. Klahr und Dunbar (1988) beziehen sich im Kern ihres SDDS-Modells auf historische Analysen wissenschaftlichen Entdeckens (Conant, 1964; Mitroff, 1974), die annehmen, dass die Interaktion zwischen dem Aufstellen von Hypothesen und dem Durchführen von Experimenten ausschlaggebend für den Erfolg von wissenschaftlichen Bestrebungen ist (z. B. Klahr & Dunbar, 1988; Simon & Lea, 1974; Vollmeyer et al., 1996). Dies wird als Vorraussetzung für das Entdecken und den Erwerb neuer Informationen und tiefergehendes Verständnis über einen spezifischen Inhaltsbereich gesehen. Bei dieser Form des Experimentierens wird ein zyklischer Prozess betont, der aus der Forschung des selbstregulierten Lernens bekannt ist (z. B. Winne & Hadwin, 1998). Mit Hilfe einer computerbasierten Lernumgebung zum physikalischen Thema Auftrieb in Flüssigkeiten wurden verhaltensbasierte Maße der Strategieanwendung beim selbständig entdeckenden Experimentieren entwickelt. Somit war es möglich, die theoretischen Annahmen über die Lernwirksamkeit der Strategieanwendung empirisch zu überprüfen. In Varianzanalysen und Pfadmodellen zeigte sich, dass eine interagierende Strategieanwendung effektiver ist, als die Durchführung einzelner systematischer Handlungen oder unsystematischer Handlungen. Diese Ergebnisse konnten sowohl für das erworbene deklarativ-konzeptuelle als auch für das erworbene Handlungswissen bestätigt werden. Eine Überprüfung des Modells anhand einer zweiten computerbasierten Lernumgebung zum chemischen Thema Säuren und Basen konnten die Erkenntnisse bestätigen. Um den geringen Lernerfolg beim selbständig entdeckenden Experimentieren weiter analysieren zu können, wurden häufig auftretende Probleme und Fehler (de Jong & van Joolingen, 1998) aus der Literatur abgeleitet. Auf Basis dessen wurden Fehler, in Fehler der unsystematischen Strategieanwendung und Fehler bezogen auf das Abweichen vom Inquiry-Prozess unterschieden. Vor diesem Hintergrund konnte gezeigt werden, dass die fehlerhafte Strategieanwendung einen negativen Einfluss auf den Lernerfolg im Sinne des erworbenen deklarativ-konzeptuellen Wissen und des erworbenen Handlungswissen hat. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass eine interagierende Strategieanwendung gemäß dem SDDS-Modell lernwirksam ist und dass sich insbesondere eine fehlerhafte Anwendung von Experimentierstrategien negativ auf den Lernerfolg auswirkt. Diese Erkenntnisse können als Grundlage zur Entwicklung und Implementierung von Fördermaßnahmen des selbständig entdeckenden Experimentierens genutzt werden.The starting point of this thesis is the contrast between the aim of the development of scientific competences to achieve in-depth knowledge (Fischer et al., 2004; KMK, 2005; Ministerium für Schule, 2004), the focus on experiments in lessons (Hammann et al., 2007), and the findings concerning low learning achievement of experiments (Hofstein & Lunetta, 1982; Hucke & Fischer, 2002). Against this background, learners’ strategy use during experimentation was analyzed regarding declarative-conceptual knowledge and procedural knowledge acquisition. For that purpose, experimenting was conceptualized as discovery experimenting based on the Scientific discovery as Dual Search model (SDDS-model; Klahr & Dunbar, 1988). This model assumes that learners are proficient in two related scientific skills: generating hypothesis and conducting experiments. Klahr and Dunbar (1988) thereby basically refer to historical analyses of scientific discovery (Conant, 1964; Mitroff, 1974) that assume that the interaction between generated hypothesis and conducted experiments is crucial to its success of scientific efforts (z. B. Klahr & Dunbar, 1988; Simon & Lea, 1974; Vollmeyer et al., 1996). In turn, this is regarded as a requirement to discover and generate new information and in-depth knowledge in a specific scientific content. Thereby, the cyclic character of this process is emphasized which resembles the processes described in the models of self-regulated learning (e.g. Winne & Hadwin, 1998). With the help of a computer-based learning environment on buoyancy in fluids measures of strategy use were developed to assess discovery experimenting. Consequently, the theoretical assumptions concerning the effectiveness of the use of interacting strategies could be empirically tested. Analysis of variance as well as path analysis showed that the use of interacting strategies is more effective than unsystematic actions or the conduction of experiments, only. This could be shown for declarative-conceptual knowledge as well as the procedural knowledge acquisition. A verification of the model based on a second computer-based learning environment on acids and bases confirmed the results. Additionally, the general low learning achievement of discovery experimenting was further analysed regarding common problems and mistakes (de Jong & van Joolingen, 1998) which were generated from the relevant literature. Based on the literature, mistakes were divided into unsystematic use of strategies and deviations from the inquiry-process. Against this background, it could be shown that the unsystematic use of strategies has a negative effect on declarative-conceptual as well as procedural learning achievement. In summary, this thesis showed that an interacting use of strategies as postulated in the SDDS-model is effective. In addition, especially the unsystematic use of strategies hinders learning. These findings can be used to develop and implement support for discovery experimenting in computer-based learning environments to foster learning achievement and in-depth knowledge