Entwicklung und Validierung eines Messinstruments zur Erfassung systemischen Denkens zum Klimawandel bei Grundschülerinnen und Grundschülern

Autor/innen

DOI:

https://doi.org/10.11576/zdb-7395

Schlagworte:

Systemisches Denken, Klimawandel, Messinstrument, Grundschule

Abstract

Im Kontext der globalen Herausforderung des Klimawandels sollen Schülerinnen und Schüler im Rahmen einer Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) dazu befähigt werden, komplexe Zusammenhänge zu verstehen. Dafür ist es sinnvoll, ihr systemisches Denken zu fördern, also die Fähigkeit, komplexe Wirklichkeitsbereiche als Systeme zu erkennen, zu beschreiben und zu modellieren. Um die Wirksamkeit von Unterrichtsmaßnahmen zur Förderung systemischen Denkens überprüfen zu können, bedarf es eines passenden und handhabbaren Diagnoseinstruments. Ein solches Instrument, welches das Lösen komplexer Probleme mit Systemmodellen zum Klimawandel bereits bei Grundschülerinnen und Grundschülern erfasst, gibt es bislang nicht. Im Rahmen des Projektes SysDeKlima wurde deshalb auf Grundlage eines in höheren Jahrgangsstufen bewährten heuristischen Kompetenzstrukturmodells ein Messinstrument entwickelt, welches das systemische Denken auch bei Grundschülerinnen und Grundschülern, unter Einhaltung psychometrischer Gütekriterien, erfasst. Die Items des Testinstruments wurden anhand der Kennwerte einer ersten Pilotierungsstudie überarbeitet und im Rahmen einer darauffolgenden Hauptstudie an 293 Schülerinnen und Schülern der 4. Jahrgangsstufe der Primarstufe erprobt. Nach Erhöhung des Anforderungsniveaus in der zweiten Erprobung konnten die Itemtrennschärfen in den höheren Dimensionen systemischen Denkens verbessert werden, während die der unteren Dimensionen nach wie vor eher gering ausfallen. Das finale Testinstrument weist eine gute interne Konsistenz auf (Cronbachs α = .73). Die Validitätsbetrachtungen anhand eines argumentationsbasierten Ansatzes zeigen u.a. zufriedenstellende Korrelationen systemischen Denkens mit dem Fachwissen zum Klimawandel (konvergente Validität) sowie niedrige Korrelationen mit Personenmerkmalen (diskriminante Validität), was die Konstruktvalidität stützt. Mittels einer konfirmatorischen Faktorenanalyse wurden unterstützende Belege für die strukturelle Validität gesammelt, wobei die Dimensionalität des Konstrukts nur in Teilen nachgewiesen werden konnte. Hinweise auf die Instruktionssensitivität des Messinstruments lieferte der Einsatz in einer Intervention.

Autor/innen-Biografien

Sven Frey, Pädagogische Hochschule Freiburg

… ist seit 2021 als abgeordnete Lehrkraft (Grundschule) im Promotionskolleg „Di.ge.LL“ (Digital gestützte Lehr-Lernsettings zur kognitiven Aktivierung) im Institut für Biologie und ihre Didaktik an der Pädagogischen Hochschule Freiburg tätig. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Förderung systemischen Denkens mit Systemmodellen zum Klima(-wandel) in der Primarstufe. Sven Frey ist assoziiertes Mitglied des Research Center for Climate Change Education and Education for Sustainable Development (ReCCE).

Jun.-Prof. Dr. Maik Beege, Pädagogische Hochschule Freiburg

… ist seit 2021 Tenure-Track Professor für „Digitale Medien in der Bildung“ im Institut für Psychologie (Abteilung Lernen mit Medien) an der Pädagogischen Hochschule Freiburg und ist mit Leitungsaufgaben sowie der Lehre im Promotionskolleg „Di.ge.LL“ (Digital gestützte Lehr-Lernsettings zur kognitiven Aktivierung) betraut. Seine Forschungsschwerpunkte sind soziale Effekte beim multimedialen Lernen, Lernvideos und videobasierte Lehre sowie Lernen aus Fehlern.

Jun.-Prof. Dr. Nadine Tramowsky, Pädagogische Hochschule Freiburg

… ist seit 2020 Juniorprofessorin am Institut für Biologie und ihre Didaktik an der Pädagogischen Hochschule Freiburg. Sie ist Koordinatorin für den naturwissenschaftlichen Sachunterricht und Leiterin des Freiburger BioLabDIGITAL. Ihre Forschungsschwerpunkte sind die empirische Vorstellungsforschung, Climate Change Education/BNE, Digitalität und Diversität. Nadine Tramowsky ist Mitglied des Research Center for Climate Change Education and Education for Sustainable Development (ReCCE).

Prof. Dr. Werner Rieß, Pädagogische Hochschule Freiburg

… ist seit 2003 Professor und seit 2009 Institutsleiter für Biologie und ihre Didaktik an der Pädagogischen Hochschule. Zudem ist er seit 2022 Direktor des Research Center for Climate Change Education and Education for Sustainable Development (ReCCE). In diesem Zusammenhang liegen seine Forschungsschwerpunkte unter anderem auf der Bildung für nachhaltige Entwicklung, der Klimabildung, dem systemischen Denken, der experimentellen Kompetenz und der Lehrerbildung.

Literaturhinweise

Acher, A. (2017). Welche Art von wissenschaftlichem Modellieren ist in der Grundschule angemessen? Verfüg-bar unter: https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/94414/1/sachunterricht_volume_0_5642.pdf

American Educational Research Association (AERA), American Psychological Association (APA) & National Council on Measurement in Education (NCME). (2014). Standards for Educational and Psychological Testing. Washington, DC: American Psychological Association.

Arndt, H. (2017). Systemisches Denken im Fachunterricht. In H. Arndt (Hrsg.), FAU Lehren und Lernen 2 (S. 9–25). Erlangen: FAU University Press.

Ben-Zvi Assaraf, O. & Knippels, M. (2022). Lessons learned: Synthesizing Approaches That Foster Understand-ing of Complex Biological Phenomena. In O. Ben-Zvi Assaraf & M. Knippels (Hrsg.), Fostering and Un-derstanding of Complex Systems in Biology Education (S. 249–278). Switzerland: Springer.

Ben-Zvi Assaraf, O. & Orion, N. (2005). Development of System Thinking Skills in the Context of Earth System Education. Journal of Research in Science Teaching, 42(5), 518–560.

Ben-Zvi Assaraf, O. & Orion, N. (2009). System thinking skills at the elementary school level. Journal of Rese-arch in Science Teaching, 47(5), 540–564.

Bertschy, F. (2008). Vernetztes Denken in der Grundschule fördern. Umweltpsychologie, 12(2), 71–90.

Bielik, T., Delen, I., Krell, M. & Ben-Zvi Assaraf, O. (2023). Characterising the literature on the teaching and learning of system thinking and complexity in STEM Education. Journal for STEM Education Research, 6(2), 199–231.

Boersma, K., Waarlo A.J. & Klaassen, K. (2011). The feasibility of systems thinking in biology education. Jour-nal of Biological Education, 45(4), 190–197.

Bollmann-Zuberbühler, B., Frischknecht-Tobler, U., Kunz, P., Nagel, U. & Wilhelm Hamiti, S. (2010). System-denken fördern. Systemtraining und Unterrichtsreihen zum vernetzten Denken. 1.–9. Schuljahr. Bern: Schulverlag plus AG.

Booth-Sweeney, L. & Sterman, J.D. (2000). Bathtub Dynamics: Initial Results of a Systems Thinking Inventory. System Dynamics Review, 16(4), 249–286.

Borsboom, D., Mellenbergh, G. J. & van Heerden, J. (2004). The concept of validity. Psychological Review, 111(4), 1061–1071.

Bortz, J. & Döring, N. (2006). Forschungsmethoden und Evaluation (2. Aufl.). Berlin, Heidelberg: Springer.

Bossel, H. (1992). Simulation dynamischer Systeme: Grundwissen, Methoden, Programme. Braunschweig: Vie-weg.

Bräutigam, J. (2014). Systemisches Denken im Kontext einer Bildung für nachhaltige Entwicklung. Konstrukti-on und Validierung eines Messinstruments zur Evaluation einer Unterrichtseinheit (Dissertation). Päda-gogische Hochschule Freiburg. Verfügbar unter: https://phfr.bsz-bw.de/frontdoor/deliver/index/docId/412/file/DissertationBraeutigamJulia2014.pdf

Brockmüller, S. (2019). Erfassung und Entwicklung von Systemkompetenz - Empirische Befunde zu Kompetenz-struktur und Förderbarkeit durch den Einsatz analoger und digitaler Modelle im Kontext raumwirksamer Mensch-Umwelt-Beziehungen (Dissertation). Pädagogische Hochschule Heidelberg. Verfügbar unter: https://opus.ph-heidelberg.de/frontdoor/deliver/index/docId/340/file/Dissertation_Brockmueller_Systemkompetenz.pdf

Brockmüller, S. (2023). Structure and measurement of system competence: Promoting systems thinking using analogue and digital models. In G.S. Carvalho, A.S. Afonso & Z. Anastácio (Hrsg.), Fostering scientific citizenship in an uncertain world (S. 79–94). Switzerland: Springer.

Browne, M. W. & Cudeck, R. (1992). Alternative ways of assessing model fit. Sociological Methods & Re-search, 21, 230–258.

Budak, U. & Ceyhan, G. (2023). Research trends on systems thinking approach in science education. Interna-tional Journal of Science Education, 46(5), 485–502.

Campbell, D.T. & Fiske, D.W. (1959). Convergent and discriminant validation by the multitrait-multimethod matrix. Psychological Bulletin, 56(2), 81–105.

Carlson, K.D. & Herdman, A.O. (2012). Understanding the impact of convergent validity on research results. Organizational Research Methods, 15(1), 17–32.

Carpenter, S. (2018). Ten steps in scale development and reporting: A guide for researchers. Communication Methods and Measures, 12(1), 25–44.

Colliver, J.A., Conlee, M.J. & Verhulst, S.J. (2012). From test validity to construct validity… and back? Medical Education, 46(4), 366–371.

Cronbach, L.J. (1951). Coefficient alpha and the internal structure of tests. Psychometrika, 16(3), 297–334.

DeVellis, R.F. & Thorpe, C.T. (2022). Scale development: Theory and applications (5. Aufl.). Thousand Oaks, California: SAGE Publications.

Evagorou M., Korfiatis K., Nicolaou, C. & Constantinou, C. (2009). An investigation of the potential of interac-tive simulations for developing system thinking skills in elementary school: A case study with fifth‐graders and sixth‐graders. International Journal of Science Education, 31(5), 655–674.

Fanta, D., Bräutigam, J., Greiff, S. & Rieß, W. (2017). Entwicklung und Validierung eines Messinstrumentes zur Erfassung von systemischem Denken bei Lehramtsstudierenden in ökologischen Kontexten. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 23(1), 241–259.

Fanta, D., Bräutigam, J. & Rieß, W. (2020). Fostering systems thinking in student teachers of biology and geog-raphy – an intervention study. Journal of Biological Education, 54(3), 226–244.

Gesellschaft für Didaktik des Sachunterrichts (GDSU). (2013). Perspektivrahmen Sachunterricht. Bad Heil-brunn: Verlag Julius Klinkhardt.

Greiff, S., Stadler, M., Sonnleitner, P., Wolff, C. & Martin, R. (2015). Sometimes less is more. Comparing the validity of complex problem solving measures. Intelligence, 50, 100–113.

Haider, M. (2019). Modellkompetenz im naturwissenschaftlichen Sachunterricht. Eine empirische Studie zum Lernen mit Modellen und über Modelle in der Primarstufe. Berlin: Logos Verlag.

Hartig, J., Frey, A. & Jude, N. (2020). Validität von Testwertinterpretationen. In H. Moosbrugger & A. Kelava (Hrsg.), Testtheorie und Fragebogenkonstruktion (S. 529–544). Heidelberg: Springer Berlin.

Hmelo-Silver, C.E., Jordan, R., Eberbach, C. & Sinha, S. (2017). Systems learning with a conceptual representa-tion: A quasi experimental study. Instructional Science, 45, 53–72.

Hmelo-Silver, C.E. & Liu, L. (2007). Fish swim, rocks sit, and lungs breathe: Expert-novice understanding of complex systems and designs for learning. Journal of the Learning Sciences, 16(3), 307–331.

Hokayem, H. & Gotwals, A.W. (2016). Early elementary students’ understanding of complex ecosystems: A learning progression approach. Journal of Research in Science Teaching, 53(10), 1524–1545.

Hu, L. & Bentler, P.M. (1999). Cutoff criteria for fit indexes in covariance structure analysis: Conventional crite-ria versus new alternatives. Structural Equation Modeling: A Multidisciplinary Journal, 6(1), 1–55.

IBM Corporation. (2021). IBM SPSS Statistics for Windows (Version 28.0) [Computer software]. IBM Corp.

Kane, M.T. (2013). Validating the interpretations and uses of test scores. Journal of Educational Measurement, 50, 1–73.

Kinchin, I.M. (2020). A ‘species identification’ approach to concept mapping in the classroom. Journal of Bio-logical Education, 54(1), 108–114.

Klieme, E. & Maichle, U. (1991). Erprobung eines Modellbildungssystems im Unterricht. Bericht über eine Pilotstudie zur Unterrichtsevaluation. Bonn: Institut für Test- und Begabungsforschung.

Koo, T.K. & Li, M.Y. (2016). A guideline of selecting and reporting intraclass correlation coefficients for reliabil-ity research. Journal of Chiropractic Medicine, 15(2), 155–163.

Krüger, D., Kauertz, A. & Upmeier zu Belzen, A. (2018). Modelle und das Modellieren in den Naturwissenschaf-ten. In D. Krüger, I. Parchmann & H. Schecker (Hrsg.), Theorien in der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung. (S. 141–158). Heidelberg: Springer Berlin.

Lüschen, I. (2015). Der Klimawandel in den Vorstellungen von Grundschulkindern. Wahrnehmung und Bewer-tung des globalen Umweltproblems. Baltmannsweiler: Schneider-Verlag Hohengehren.

Mambrey, S., Schreiber, N. & Schmiemann, P. (2020a). Young students reasoning about ecosystems: The role of systems thinking, knowledge, conceptions and representation. Research in Science Education, 52(1), 79–98.

Mambrey, S., Timm, J., Landskron, J.J. & Schmiemann, P. (2020b). The impact of system specifics on systems thinking. Journal of Research in Science Teaching, 57(10), 1632– 1651.

Matthies, M. (2010). Einführung in die Systemwissenschaft. Vorlesungsskript. Osnabrück: Universität Osnab-rück, Institut für Umweltsystemforschung.

McDonald, R.P. (1999). Test theory: A unified treatment. New York: Lawrence Erlbaum Associates Publishers.

McHugh, M. L. (2012). Interrater reliability: The kappa statistic. Biochemia Medica, 22(3), 276–282.

Mehren, R., Rempfler, A., Ullrich-Riedhammer, E.-M., Buchholz, J. & Hartig, J. (2016). Systemkompetenz im Geographieunterricht. Ein theoretisch hergeleitetes und empirisch überprüftes Kompetenzstrukturmodell. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 22, 147–163.

Mischo, C. & Rieß, W. (2008). Förderung systemischen Denkens im Bereich von Ökologie und Nachhaltigkeit. Unterrichtswissenschaft, 36(4), 346–364.

Moosbrugger, H. & Kelava, A. (2020). Qualitätsanforderungen an Tests und Fragebogen („Gütekriterien”) [Qua-lity requirements for tests and questionnaires (“quality criteria”)]. In H. Moosbrugger & A. Kelava (Hrsg.), Testtheorie und Fragebogenkonstruktion (S. 13–38). Springer.

Nationale Plattform Bildung für nachhaltige Entwicklung. (2017). Nationaler Aktionsplan. Bildung für nachhal-tige Entwicklung. Der deutsche Beitrag zum UNESCO-Weltaktionsprogramm. Verfügbar unter: https://www.bne-portal.de/bne/shareddocs/downloads/files/nationaler_aktionsplan_bildung-er_nachhaltige_entwicklung_neu.pdf?__blob=publicationFile&v=3

Nikendei, C., Bugaj, T.J., Nikendei, F., Kühl, S.J. & Kühl, M. (2020). Klimawandel: Ursachen, Folgen, Lösungs-ansätze und Implikationen für das Gesundheitswesen. Zeitschrift für Evidenz, Fortbildung und Qualität im Gesundheitswesen, 156, 59–67.

Nitz, S. & Fechner, S. (2018). Mentale Modelle. In D. Krüger, I. Parchmann & H. Schecker (Hrsg.), Theorien in der naturwissenschaftsdidaktischen Forschung (S. 69–86). Heidelberg: Springer.

Ossimitz, G. (2000). Entwicklung systemischen Denkens. Theoretische Konzepte und empirische Untersuchun-gen. München: Profil.

Ossimitz, G. (2001). Stock-Flow Thinking and Reading stock-flow-related Graphs: An Empirical Investigation in Dynamic Thinking Abilities. Proceedings of the 2001 System Dynamics Conference, Atlanta, Georgia. Albany: System Dynamics Society.

Rempfler, A. & Uphues, R. (2011a). Systemkompetenz und ihre Förderung im Geographieunterricht. Geogra-phie und Schule, 33(189), 22–33.

Rempfler, A. & Uphues, R. (2011b). Systemkompetenz im Geographieunterricht – Die Entwicklung eines Kom-petenzmodells. In C. Meyer (Hrsg.), Geographische Bildung: Kompetenzen in Forschung und Praxis. Ge-meinsames Symposium des GEI und HGD (S. 36–48). Braunschweig: Westermann.

Rieß, W. & Mischo, C. (2009). Promoting systems thinking through biology lessons. International Journal of Science Education, 32(6), 705–725.

Rieß, W. & Mischo, C. (2017). Das Modell problemorientierten Lehrens und Lernens (MopoLL) - Auf dem Weg zu einem evidenzbasierten Unterrichtsverfahren zur Förderung komplexer dynamischer Problemlösefä-higkeiten in der Biologie. Zeitschrift für Didaktik der Biologie, 21, 1–20.

Rieß, W., Schuler, S. & Hörsch, C. (2015). Wie lässt sich systemisches Denken vermitteln und fördern? Theoreti-sche Grundlagen und praktische Umsetzung am Beispiel eines Seminars für Lehramtsstudierende. Geo-graphie aktuell und Schule, 37(215), 16–29.

Roczen, N., Fischer, F., Fögele, J., Hartig, J. & Mehren, R. (2024). Der „SysCo-ESD“ Test zur Messung von nach-haltigkeitsbezogener Systemkompetenz in Forschung und Praxis. In A. Rempfler, R. Grob, M. Landtwing Blaser & U. Schönauer (Hrsg.), Komplexität und Systemisches Denken im Geographieunterricht (S. 86–101). Norderstedt: BoD – Books on Demand.

Ropohl, M., Walpuski, M. & Sumfleth, E. (2015). Welches Aufgabenformat ist das richtige? – Empirischer Ver-gleich zweier Aufgabenformate zur standardbasierten Kompetenzmessung. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 21, 1–15.

Rosenkränzer, F., Stahl, E., Hörsch, C., Schuler, S. & Rieß, W. (2016). Das Fachdidaktische Wissen von Lehr-amtsstudierenden zur Förderung von systemischem Denken: Konzeptualisierung, Operationalisierung und Erhebungsmethode. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften, 1(22), 109–121.

Schmitt, N. (1996). Uses and abuses of coefficient alpha. Psychological Assessment, 8(4), 350–353.

Schober, P., Boer, C. & Schwarte, L. A. (2018). Correlation coefficients: Appropriate use and interpretati-on. Anesthesia & Analgesia, 126(5), 1763–1768.

Sommer, C. (2005). Untersuchung der Systemkompetenz von Grundschülern im Bereich Biologie (Dissertation). Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Verfügbar unter: https://macau.uni-kiel.de/servlets/MCRFileNodeServlet/dissertation_derivate_00001652/d1652.pdf

Stadler, M., Sailer, M. & Fischer, F. (2021). Knowledge as a formative construct: A good alpha is not always better. New Ideas in Psychology, 60, 100832.

Streiling, S., Hörsch, C. & Rieß, W. (2021). Effects of Teacher Training in Systems Thinking on Biology Stu-dents—An Intervention Study. Sustainability, 13(14), 7631.

Sweeney, L.B. & Sterman, J. (2007). Thinking about systems: Student and teacher conceptions of natural and social systems. System Dynamics Review, 23(2–3), 285–311.

Terzer, E. (2012). Modellkompetenz im Kontext Biologieunterricht. Empirische Beschreibung von Modellkom-petenz mithilfe von Multiple-Choice Items (Dissertation). Humboldt-Universität zu Berlin. Verfügbar un-ter: https://edoc.hu-berlin.de/server/api/core/bitstreams/3b7039d3-7f56-4596-b58d-c6f43f93df33/content

United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization (UNESCO). (2017). Education for Sustainable Development Goals. Learning Objectives. Verfügbar unter: https://www.unesco.de/sites/default/files/2018-08/unesco_education_for_sustainable_ develop-ment_goals.pdf

Verhoeff, R.P., Knippels, M.-C.P.J., Gilissen, M.G.R. & Boersma, K.T. (2018). The theoretical nature of systems thinking. Perspectives on systems thinking in biology education. Frontiers in Education, 3, 518.

Weise, G. (1975). Psychologische Leistungstests. Göttingen: Hogrefe.

Westen, D. & Rosenthal, R. (2003). Quantifying construct validity: Two simple measures. Journal of Personali-ty and Social Psychology, 84(3), 608–618.

Wiek, A. & Redman, A. (2022). What Do Key Competencies in Sustainability Offer and How to Use Them. In P. Vare, N. Lausselet, M. Rieckmann (Hrsg.), Competences in Education for Sustainable Development (Sus-tainable Development Goals Series, SDG: 4 Quality Education, S. 27–34). Cham: Springer.

Downloads

Metriken
Views/Downloads
  • Abstract
    40
  • PDF
    25
Weitere Informationen

Veröffentlicht

22.04.2025

Zitationsvorschlag

Frey, S., Beege, M., Tramowsky, N., & Rieß, W. (2025). Entwicklung und Validierung eines Messinstruments zur Erfassung systemischen Denkens zum Klimawandel bei Grundschülerinnen und Grundschülern. Zeitschrift für Didaktik Der Biologie (ZDB), 30(1), 1–24. https://doi.org/10.11576/zdb-7395

Ausgabe

Rubrik

Originalarbeiten

Ähnliche Artikel

Sie können auch eine erweiterte Ähnlichkeitssuche starten für diesen Artikel nutzen.