Modeling as Scientific Reasoning—The Role of Abductive Reasoning for Modeling Competence

While the hypothetico-deductive approach, which includes inductive and deductive reasoning, is largely recognized in scientific reasoning, there is not much focus on abductive reasoning. Abductive reasoning describes the theory-based attempt of explaining a phenomenon by a cause. By integrating abductive reasoning into a framework for modeling competence, we strengthen the idea of modeling being a key practice of science. The framework for modeling competence theoretically describes competence levels structuring the modeling process into model construction and model application. The aim of this theoretical paper is to extend the framework for modeling competence by including abductive reasoning, with impact on the whole modeling process. Abductive reasoning can be understood as knowledge expanding in the process of model construction. In combination with deductive reasoning in model application, such inferences might enrich modeling processes. Abductive reasoning to explain a phenomenon from the best fitting guess is important for model construction and may foster the deduction of hypotheses from the model and further testing them empirically. Recent studies and examples of learners’ performance in modeling processes support abductive reasoning being a part of modeling competence within scientific reasoning. The extended framework can be used for teaching and learning to foster scientific reasoning competences within modeling processes.Peer Reviewe

Naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung durch Modelle – Modellverständnis als Grundlage für Modellkompetenz

Das Modellverständnis als Element von Modellkompetenz wird durch folgende Aspekte strukturiert: die Definition des Begriffs „Modell“, Kriterien für Modelle, Zweck von Modellen, Veränderbarkeit von Modellen und multiple Modelle. Schüleraussagen zu diesen Kriterien werden in Anlehnung an CAREY et al. (1989), DRIVER et al. (1996) und GÜNTHER et al. (2004) qualitativ drei Levels zugeordnet. 70 Schülern der neunten Jahrgangsstufe an zwei Berliner Gymnasien wurden im Biologieunterricht offene Fragen zu ihrem Modellverständnis zur schriftlichen Bearbeitung vorgelegt. Die Antworten wurden nach der qualitativen Inhaltsanalyse (MAYRING 2003) ausgewertet. Ein Schwerpunkt in den erfassten Schülervorstellungen sind die deskriptiven Aspekte von Modellen, das heißt sie werden vorwiegend in ihrer Anschauungsfunktion wahrgenommen. Die Rolle von Modellen im wissenschaftlichen Erkenntnisprozess wurde in der Regel nicht erkannt. Darüber hinaus waren die Vorstellungen der Schüler bezogen auf die theoretischen Aspekte von Modellen häufi g inkonsistent. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung stellt sich demnach die Struktur des Modellverständnisses der Schüler als eher mosaikartig dar und weist auf ein kompartimentalisiertes Wissen über Modelle hin

Kompetenzmodell der Modellierkompetenz – Die Rolle abduktiven Schließens beim Modellieren

In diesem theoretischen Beitrag wird das Kompetenzmodell der Modellkompetenz durch Integration der Theorie des abduktiven Schließens ausdifferenziert und als Kompetenzmodell der Modellierkompetenz präsentiert. Abduktives Schließen in der Biologie heißt, ein biologisches Phänomen durch einen kausalen Rückschluss theoriebasiert oder kreativ bestmöglich zu erklären. Kreativität innoviert im Sinne der Erkenntnisgewinnung durch neues theoretisches Wissen den Prozess des Modellierens. Im ausdifferenzierten Kompetenzmodell wird abduktiv schließendes Erklären als neues Niveau hinzugefügt. Beim abduktiv schließenden Erklären bildet die Herstellung eines Modells die Basis für einen sich möglicherweise anschließenden deduktiven Überprüfungsprozess. Dieser umfasst bei der Anwendung des Modells das Ableiten von Hypothesen aus dem Modell und deren Testung. Bei dieser Anwendung eines Modells als Forschungswerkzeug stehen, im Gegensatz zur Anwendung als verständniserzeugendes Medium, prozedurale sowie epistemische Aspekte des Modellierens im Vordergrund. Fachdidaktische Arbeiten aus verschiedenen Disziplinen weisen auf die Bedeutung des abduktiven Schließens beim Modellieren hin. Ausgehend davon stellt sich die Frage, ob und wie abduktives Schließen beim Modellieren auf der Basis von theoretischem Fachwissen oder kreativer Innovation die Bedeutung eines Modells als Forschungswerkzeug hervorhebt. Die Berücksichtigung des abduktiven Schließens beim Modellieren stößt Vorhaben in drei Forschungsbereichen an: (1) Bezogen auf Grundlagenforschung gilt es zu klären, inwieweit die erfolgreiche Modellierung eines Phänomens von theoretischen Vorkenntnissen abhängt. (2) Bezogen auf die Erfassung von Modellierkompetenz ist zu prüfen, inwieweit unterschiedliche biologische Kontexte abduktives Schließen anregen. (3) Mit Blick auf eine Förderung von Modellierkompetenz ist zu untersuchen, inwieweit beim Modellieren biologisches Fachwissen für abduktives Schließen bei der Herstellung eines Modells dabei hilft, in eine deduktive Modellanwendung überzuleiten.Freie Universität Berlin (1008)Peer Reviewe

Framework for Modeling Competence—The Role of Abductive Reasoning During Modeling

In diesem theoretischen Beitrag wird das Kompetenzmodell der Modellkompetenz durch Integration der Theorie des abduktiven Schließens ausdifferenziert und als Kompetenzmodell der Modellierkompetenz präsentiert. Abduktives Schließen in der Biologie heißt, ein biologisches Phänomen durch einen kausalen Rückschluss theoriebasiert oder kreativ bestmöglich zu erklären. Kreativität innoviert im Sinne der Erkenntnisgewinnung durch neues theoretisches Wissen den Prozess des Modellierens. Im ausdifferenzierten Kompetenzmodell wird abduktiv schließendes Erklären als neues Niveau hinzugefügt. Beim abduktiv schließenden Erklären bildet die Herstellung eines Modells die Basis für einen sich möglicherweise anschließenden deduktiven Überprüfungsprozess. Dieser umfasst bei der Anwendung des Modells das Ableiten von Hypothesen aus dem Modell und deren Testung. Bei dieser Anwendung eines Modells als Forschungswerkzeug stehen, im Gegensatz zur Anwendung als verständniserzeugendes Medium, prozedurale sowie epistemische Aspekte des Modellierens im Vordergrund. Fachdidaktische Arbeiten aus verschiedenen Disziplinen weisen auf die Bedeutung des abduktiven Schließens beim Modellieren hin. Ausgehend davon stellt sich die Frage, ob und wie abduktives Schließen beim Modellieren auf der Basis von theoretischem Fachwissen oder kreativer Innovation die Bedeutung eines Modells als Forschungswerkzeug hervorhebt. Die Berücksichtigung des abduktiven Schließens beim Modellieren stößt Vorhaben in drei Forschungsbereichen an: (1) Bezogen auf Grundlagenforschung gilt es zu klären, inwieweit die erfolgreiche Modellierung eines Phänomens von theoretischen Vorkenntnissen abhängt. (2) Bezogen auf die Erfassung von Modellierkompetenz ist zu prüfen, inwieweit unterschiedliche biologische Kontexte abduktives Schließen anregen. (3) Mit Blick auf eine Förderung von Modellierkompetenz ist zu untersuchen, inwieweit beim Modellieren biologisches Fachwissen für abduktives Schließen bei der Herstellung eines Modells dabei hilft, in eine deduktive Modellanwendung überzuleiten.In this theoretical contribution, the framework for model competence is expanded into the framework of modeling competence by integrating the theory of abductive reasoning. Abductive reasoning in biology means to explain a biological phenomenon in the best possible way through a causal inference, either theory-based or creatively. Creativity innovates the process of modeling in the sense of gaining knowledge through new theoretical insight. In the expanded competence model, abductive reasoning is added as a new level. The process of model creation provides a basis for a subsequently deductive verification process, i.e., deriving hypotheses from the model and testing them in the sense of model application. In this application of the model as a research tool, as opposed to its application as an understanding-generating medium, procedural as well as epistemic aspects of modeling are in the foreground. Educational studies in various disciplines point to the importance of abductive reasoning in modeling. Prior research indicates that in modeling, abductive reasoning based on theoretical expertise or creative innovation emphasizes the importance of models as research tools. This also shows the importance of theoretical content knowledge and creativity in modeling. The consideration of abductive reasoning in modeling initiates three research areas: (1) With regard to basic research, it is important to clarify to what extent successful modeling of a phenomenon depends on prior theoretical knowledge. (2) With regard to the assessment of modeling competence, it should be examined to what extent different biological contexts enable abductive reasoning. (3) With regard to promoting modeling competence, it should be examined to what extent biological content knowledge fosters abductive reasoning to lead over to deductive model application

Reasoning on Controversial Science Issues in Science Education and Science Communication

The ability to make evidence-based decisions, and hence to reason on questions concerning scientific and societal aspects, is a crucial goal in science education and science communication. However, science denial poses a constant challenge for society and education. Controversial science issues (CSI) encompass scientific knowledge rejected by the public as well as socioscientific issues, i.e., societal issues grounded in science that are frequently applied to science education. Generating evidence-based justifications for claims is central in scientific and informal reasoning. This study aims to describe attitudes and their justifications within the argumentations of a random online sample (N = 398) when reasoning informally on selected CSI. Following a deductive-inductive approach and qualitative content analysis of written open-ended answers, we identified five types of justifications based on a fine-grained category system. The results suggest a topic-specificity of justifications referring to specific scientific data, while justifications appealing to authorities tend to be common across topics. Subjective, and therefore normative, justifications were slightly related to conspiracy ideation and a general rejection of the scientific consensus. The category system could be applied to other CSI topics to help clarify the relation between scientific and informal reasoning in science education and communication.Peer Reviewe

Interessen und Nicht-Interessen bei Grundschulkindern : Theoretische Basis der Längsschnittstudie PEIG

Lernen ist ein ganzheitlicher Prozess, der sich im Rahmen von schulischen und außerschulischen sowie fachlichen und fächerübergreifenden Kontexten vollzieht. Interessen bzw. Nicht-Interessen sind dabei einflussreiche motivationale Bedingungsfaktoren. Dass Personen deren Entwicklungen maßgeblich und lang anhaltend beeinflussen, konnte für Kinder bereits ab dem Vorschulalter belegt werden. Dabei stehen besonders die Eltern im Vordergrund, in der Schule aber auch die Lehrpersonen, die über ihre didaktisch-methodische Ausgestaltung des Unterrichtes beeinflussen, ob ihr Unterricht im Sinne der Selbstbestimmungstheorie unterstützend oder kontrollierend wirkt. Um grundsätzlich solche Entwicklungen erfassen und beschreiben zu können, wurde die „Münchener Interessentheorie“ (KRAPP, 2000) um die Theorie des Nicht-Interesses erweitert. Es werden unterschiedliche Wirkungen auf einzelne Schülergruppen erwartet, so dass zunächst unterschiedliche Verläufe der Interessen- bzw. Nicht Interessenentwicklungen beschrieben werden müssen. Diese dienen als Grundlage für die Konzipierung von Modellen, die das Erleben von situationalen Interessen im Unterricht fördern. In einer Längsschnittstudie werden Kinder, Eltern, Erzieherinnen und Lehrpersonen bereits ab dem Vorschulalter bis in die Sekundarstufe I in Bezug auf die Interessen und Nicht- Interessen der Kinder (vorwiegend aus dem naturwissenschaftlichen Bereich) mittels standardisierter halboffener Interviews in punktuellen Untersuchungen mehrmals befragt. Im Schulbereich werden die didaktisch-methodische Ausgestaltung des Unterrichtes sowie der Grad der Unterstützung bzw. Kontrolle im Sinne der Selbstbestimmungstheorie durch den Unterricht begleitend festgestellt. Dabei wird ihre Wirkung auf Person-Gegenstands- Auseinandersetzungen analysiert, um Unterrichtsmodelle entwickeln zu können, mit denen eine positive Interessenentwicklung durch Unterricht ermöglicht wird und wirksam einer Entwicklung von Nicht-Interessen entgegengewirkt werden kann

Pre-service Biology Teachers’ Responses to First-Hand Anomalous Data During Modelling Processes

In this research project we investigate the role of responses to anomalous data during modelling processes. Modelling is seen as a comprehensive practice that encompasses various aspects of scientific thinking; hence, it is an important style of scientific thinking, especially if analysed from a process-based perspective. Therefore, it provides the opportunity to understand the role of anomalous data on scientific thinking from a broader perspective. We analysed how pre-service biology teachers (N = 11) reacted to self-generated anomalous data during modelling processes induced by investigating a water black box. The videotaped and transcribed modelling processes were analysed using qualitative content analysis. If anomalous data were recognised, a majority of explanations were based on methodical issues. This finding supports results from previous studies investigating responses to first-hand anomalous data. Furthermore, we found four response patterns to anomalous data during modelling processes: no recognition, no explanation, methodical explanation, and model-related explanation. Besides, our study indicates by trend a systematic relation between response patterns to anomalous data and modelling strategies. Consequently, the improvement of responses to anomalous data could be a promising way to foster modelling competencies. We are convinced that an integrated approach to anomalous data and modelling could lead to deeper insights into the role of data in scientific thinking processes

Der Schulgarten in der Grundschule : Ein Gemüsebeet in einem 3. Schuljahr planen und anlegen

Um die Kinder an das Thema Pfl anzen in der Landwirtschaft heranführen zu können, ist es sinnvoll mit ihnen Schulgartenbeete anzulegen, in denen sie selbst einheimisches Gemüse säen und ernten können. Diese Unterrichtseinheit ist vorgesehen für ein 3. Schuljahr und ist verknüpft mit einem Wochenmarktbesuch und regelmäßiger Schulgartenarbeit. Das Anlegen der Beete wird im Rahmen eines Aktionstages mit Unterstützung der Eltern durchgeführt. Die Durchführung dieser Einheit erfordert von der Lehrperson eine intensive Einarbeitung in das Thema und in die praktische Umsetzung

Einstellung von Schülern zu Schule und Sachunterricht:Erfassung und Differenzierung von typologischen Einstellungsausprägungen bei Grundschülern

Zur Erfassung der Einstellung von Grundschulkindern zur Schule und zum Sachunterricht wurde ein Erhebungsinstrument im Sinne der klassischen Testtheorie und Testkonstruktion (z.B. Rost, 1996) entwickelt. Dieses Instrument ist ein systematisch konstruierter Fragebogen mit vier verschiedenen Subskalen („Schule und Lernen“, „Bedeutung von Lernen im Sachunterricht“, „Verhalten zu Mitschülern“, „didaktischmethodische Ausgestaltung des Sachunterrichts“), das letztlich mit insgesamt 29 Items (von zuvor 87 Items) die Einstellung der Schüler zu Schule und Sachunterricht operationalisiert. Mit diesem Instrument wurden insgesamt 344 Grundschüler der Jahrgangsstufen 1-4 befragt. Mit Hilfe spezifischer, statistischer Verfahren konnten drei „Einstellungstypen“ identifiziert und beschrieben werden: Der Lernfreude-Typ, der Gelangweilt-Frustrierte Typ und der Zielorientierte Leistungs-Typ. Die didaktisch-methodische Ausgestaltung des Sachunterrichtes im Schülerurteil hat einen bedeutenden Einfluss auf die Lernprozesse. Deshalb stehen mögliche didaktisch-methodische Konsequenzen für den Sach- bzw. Biologieunterricht im Focus des Interesses

Abductive reasoning in modeling biological phenomena as complex systems

The article processing charge was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) – 491192747 and the Open Access Publication Fund of Humboldt-Universität zu Berlin.Introduction: Abductive reasoning is a type of reasoning that is applied to generate causal explanations. Modeling for inquiry is an important practice in science and science education that involves constructing models as causal explanations for scientific phenomena. Thus, abductive reasoning is applied in modeling for inquiry. Biological phenomena are often best explained as complex systems, which means that their explanations ideally include causes and mechanisms on different organizational levels. In this study, we investigate the role of abductive reasoning in modeling for inquiry and its potential for explaining biological phenomena as complex systems. Methods: Eighteen pre-service science teachers were randomly assigned to model one of two biological phenomena: either a person's reddened face, for which participants knew of explanations from their everyday lives, or a clownfish changing its sex, for which participants did not know about explanations. Using the think-aloud method, we examined the presence of abductive reasoning in participants' modeling processes. We also analyzed modeling processes in terms of participants' ability to model the phenomena as complex systems. Results: All participants reasoned abductively when solving the modeling task. However, modeling processes differed depending on the phenomenon. For the reddened face, participants generated simple models that they were confident with. In contrast, for the clownfish, participants generated more complex models that they were insecure about. Extensive engagement in abductive reasoning alone did not lead to the generation of models that explained the phenomena as complex systems. Discussion: Based on the findings, we conclude that engagement in abductive reasoning will not suffice to explain phenomena as complex systems. We suggest examining in future studies how abductive reasoning is combined with systems thinking skills to explain phenomena as complex systems in biological model construction.Peer Reviewe