forschungsbericht 2023 / 2024 IPN · Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik

IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024

forschungsbericht 2023 / 2024 IPN · Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik

IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024 INHALT VORWORT DAS IPN IN ZAHLEN FORSCHUNGSLINIEN FACHLICHES LERNEN IM VORSCHULISCHEN UND SCHULISCHEN BEREICH PROFESSIONELLE KOMPETENZ VON LEHRKRÄFTEN UND PÄDAGOGISCHEM PERSONAL WISSENSCHAFTSKOMMUNIKATION UND EXTRACURRICULARES LERNEN METHODENFORSCHUNG UND MASCHINELLES LERNEN ABTEILUNGEN UND ARBEITSGRUPPEN DIDAKTIK DER BIOLOGIE DIDAKTIK DER CHEMIE ARBEITSGRUPPE DIDAKTIK DER INFORMATIK DIDAKTIK DER MATHEMATIK DIDAKTIK DER PHYSIK ERZIEHUNGSWISSENSCHAFT UND PÄDAGOGISCHE PSYCHOLOGIE FACHBEZOGENER ERKENNTNISTRANSFER PÄDAGOGISCH-PSYCHOLOGISCHE METHODEN UND DATENWISSENSCHAFTEN 9 14 16 26 36 46 58 62 66 70 74 78 82 86 6 6 7 7

IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024 IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024 VORWORT Zeitgemäße MIN-Bildung über die Lebensspanne Die Menschheit steht vor großen Herausforderungen. In Zeiten globaler Krisen und Konflikte benötigen wir mehr als nur ein paar kluge Köpfe, die Strategien und Innovationen entwickeln. Herausforderungen wie der Klimawandel und fundamentale gesellschaftliche Transformationen betreffen uns alle. Die Anforderungen an uns wachsen, wenn wir nicht nur unsere Lebensgrundlagen, sondern auch unseren Wohlstand sichern wollen. Besondere Bedeutung haben schon jetzt Mathematik, Informa- tik und die Naturwissenschaften (MIN). Mehr denn je sind Kompeten- zen in diesen Disziplinen eine notwendige Voraussetzung für soziale, berufliche und gesellschaftliche Teilhabe. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IPN – Leibniz-Instituts für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik widmen sich gelingenden Bildungsprozessen in diesen Fächern von der frühen Kindheit bis in das Erwachsenenalter. Gemäß unserer Satzung ist die Forschung des IPN darauf ausgerichtet, die Pädagogik der Naturwissen- schaften und der Mathematik zu fördern und weiterzuentwickeln. Mitt- lerweile gehören allerdings auch Bildungsprozesse in der Informatik zu unserem Spektrum. Die Informatik ist ein Fach, das im deutschen Bil- dungssystem in den vergangenen Jahren massiv ausgebaut wurde. Auch die naturwissenschaftlichen Fächer sind immer stärker durch Informatik geprägt. Um die Unterrichtsqualität in den MIN-Fächern anzuheben, sind jedoch forschungsbasierte Anstrengungen notwendig. Nur so können wir Schülerinnen und Schüler bestmöglich auf die digitalisierte Welt vorbe- reiten, sodass sie in der Lage sind, den großen Herausforderungen zu be- gegnen und gesellschaftliche Entwicklungen – beispielsweise im Bereich der Künstlichen Intelligenz – aktiv mitzugestalten. Diese problemorien- tierte Arbeitsweise des IPN entspricht der Maxime, die für alle 96 Ein- richtungen der Leibniz-Gemeinschaft gilt: Wir betreiben exzellente Wis- senschaft zum Wohle und zum Nutzen der Gesellschaft. Um die Erfolgsfaktoren für MIN-Bildungsprozesse besser zu verstehen, untersuchen wir Einflüsse und Mechanismen über die gesamte Lebens- spanne und auf unterschiedlichen Ebenen: Neben den individuellen Lernenden und ihrer jeweiligen familiären Umwelt berücksichtigen wir Lerngruppen, Institutionen und Bildungssysteme. Prof. Dr. Olaf Köller Geschäftsführender Wissenschaftlicher Direktor 8 8 9 9

IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024 IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024 Turnusgemäß berichtete das IPN im Berichtszeitraum aus den internati- onalen Bildungsvergleichsstudien (Large-scale Assessments), einem wei- teren Arbeitsschwerpunkt des Instituts. Den Auftakt machte im Herbst 2023 das Programme for International Student Assessment (PISA) mit Daten aus der Erhebung des ersten Halbjahrs 2022. Als Mitglied des Zentrums für internationale Bildungsvergleichsstudien (ZIB) ist das IPN an der Durchführung von PISA in Deutschland maßgeblich beteiligt. Zu- dem ist das IPN Mitglied der Konsortien der International Computer and Information Literacy Study (ICILS) und der Trends in International Mathematics and Science Study (TIMSS). Beide Konsortien veröffent- lichten im Herbst 2024 ihre jüngsten Berichte mit Daten aus Erhebun- gen des Jahres 2023. Große öffentliche Aufmerksamkeit erfuhr im Jahr 2023 der Start des bundesweiten Zehnjahresprogramms Unterrichts- und Fortbildungs- qualität in Mathematik entwickeln (QuaMath), das von unserer Ab- teilung Fachbezogener Erkenntnistransfer (FET) koordiniert wird. Das groß angelegte Programm soll den Mathematikunterricht an Schulen verbessern und so die mathematischen Kompetenzen von Schülerinnen und Schülern effektiver fördern. QuaMath unterstützt Lehrkräfte an bis zu 10.000 Schulen durch Fortbildungen und bereitgestellte Materialien. Die Lehrkräfte werden zudem von spezifisch qualifizierten Multiplikato- rinnen und Multiplikatoren begleitet. Kooperationen im In- und Ausland Neben der fruchtbaren interdisziplinären Zusammenarbeit in unserem Institut pflegen wir vielfältige Forschungskooperationen im In- und Aus- land. Innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft sind wir strategisch vernetzt und Mitglied in verschiedenen Leibniz-Forschungsverbünden. Auch an den Leibniz-Labs, einem neuen Format der Leibniz-Gemeinschaft, wirkt das IPN mit: Im Leibniz-Lab Pandemic Preparedness entwickeln Forschende unterschiedlichster Disziplinen gemeinsam evidenzbasierte Strategien, die Gesellschaft und Wissenschaft besser auf zukünftige Pandemien vor- bereiten und ihre Resilienz erhöhen sollen. Auf internationaler Ebene haben wir unsere Kooperationen vertieft, un- ter anderem mit wichtigen Universitäten und außeruniversitären For- schungseinrichtungen in den Niederlanden, der Schweiz, Dänemark, Schweden, Norwegen, Israel, den USA und Australien. Neue Kooperati- onen haben wir beispielsweise mit Institutionen aus Brasilien, Estland, Kanada und Japan begründet. 10 10 11 11

IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024 IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024 IPN-Forschungsbericht 2023 / 2024 das im Herbst 2024 gestartet ist. Es soll bildungsbenachteiligte Kinder und Jugendliche in 4.000 Schulen fördern. Ein Forschungsverbund unter Leitung des DIPF|Leibniz-Instituts für Bildungsforschung und Bildungsinformation, an dem das IPN beteiligt ist, begleitet das Start- chancen-Programm wissenschaftlich. Zudem werden wir anhand von PISA- und TIMSS-Ergebnissen überprüfen, ob sich die Erwartungen von Bund und Ländern an das Programm erfüllen. Digitale Technologien werden Unterrichtspraxis und Schulalltag in Zu- kunft noch stärker verändern. Technologische Entwicklungen bilden deshalb am IPN weiterhin einen wichtigen Arbeitsschwerpunkt. Die zu Beginn erwähnten zwei neuen Professuren an der EUF und der CAU er- gänzen unsere bestehenden Projektverbünde und Einzelprojekte ideal. Wir sehen uns damit gut aufgestellt, um zukünftige Entwicklungen wis- senschaftlich zu begleiten und eine zeitgemäße MIN-Bildung zu unter- stützen. Abschließend unser großer Dank Keine der in diesem Forschungsbericht vorgestellten Arbeiten wäre ohne die Unterstützung unserer Zuwendungsgeber und zahlreicher Förderein- richtungen möglich gewesen. Für diese Förderung danke ich im Namen aller Kolleginnen und Kollegen des Instituts. Unser Dank gilt ebenso dem Stiftungsrat und dem Wissenschaftlichen Beirat des IPN, die unsere Arbeit in den vergangenen zwei Jahren begleitet haben. Nicht zuletzt dan- ken wir all jenen Menschen, deren Engagement für empirische Bildungs- forschung unabdingbar ist: Schülerinnen und Schüler, Lehrkräfte und Eltern, Studierende und die vielen weiteren mit MIN-Bildung befassten Personen, die in unsere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten einge- bunden waren. Nur dank ihrer Mitwirkung können wir unsere Arbeiten durchführen! Prof. Dr. Olaf Köller Geschäftsführender Wissenschaftlicher Direktor des IPN 12 12 13 13

IM JAHR 2023 ABGE- SCHLOSSENE QUALI- FIKATIONSARBEITEN Promotionen 11 + Diplom Master Bachelor 2 65 11 + davon keine externe Promotion IM JAHR 2024 ABGE- SCHLOSSENE QUALI- FIKATIONSARBEITEN Promotionen 16 + Diplom Master Bachelor 0 56 13 + davon 6 externe Promotionen RUFE IM JAHR 2023 W3 W2 W1 2 2 RUFE IM JAHR 2024 W3 W2 W1 2 1 IM JAHR 2023 EINGEWORBENE DRITTMITTEL 7.609.703 € gesamt EU: 203.525 € BMBF: 2.867.439 € DFG: 701.920 € Wettbewerb (SAW): 291.534 € Stiftungen: 1.450.346 € Sonstige: 2.094.939 € IM JAHR 2024 EINGEWORBENE DRITTMITTEL 9.020.876 € gesamt EU: 62.356 € BMBF: 4.393.883 € DFG: 1.006.228 € Wettbewerb (SAW): 192.906 € Stiftungen: 1.397.343 € Sonstige: 1.968.160 € PUBLIKATIONEN 2023 288 Publikationen gesamt PUBLIKATIONEN 2024 314 Publikationen gesamt 146 davon Zeitschriften- beiträge 160 davon Zeitschriften- beiträge Zugriff auf das Forschungsinformationssystem des IPN: https://www.leibniz-ipn.de/de/forschen/publikationen 14 15

forschungslinie fachliches lernen im vorschulischen und schulischen bereich 16 17

Kompetenzen als Ergebnisse des Lernens in MIN Im zweiten Bereich beschäftigen wir uns mit der Frage, inwieweit Schü- lerinnen und Schüler mit diesen Kompetenzen ausreichend auf den Über- gang von schulischen in nachschulische Bildungsabschnitte und den damit einhergehenden Bruch in der Kohärenz des Lernens vorbereitet sind. Hier erforschen wir die Passung von kognitiven und affektiven Voraussetzun- gen und entsprechenden Anforderungen an die Jugendlichen und jungen Erwachsenen. Mit Blick auf die immer komplexeren gesellschaftlichen Herausforderungen erforschen wir außerdem, inwieweit die in der Schul- zeit erworbenen Kompetenzen gesellschaftliche Teilhabe ermöglichen. Auch hier werden nicht nur kognitive Voraussetzungen erfasst, sondern zudem, welche affektiven Merkmale und Einstellungen für die Teilhabe am Diskurs relevant sind und wie sie gefördert werden können. Garrecht, C., Czinczel, B., Kretschmann, M. & Reiss, M. J. (2023). ‘Should we be doing it, should we not be doing it, who could be harmed?’ Addressing ethical issues in science education. Science & Education, 32(6), 1761–1793. https://doi. org/10.1007/s11191-022- 00342-2 Kompetenzen als Ergebnisse des Lernens in MIN Das Themenfeld Vorschulischer und Primarbereich fokussiert auf die Entwicklung allgemeiner und fachspezifischer Fähigkeiten von Vor- schulkindern, die für den Übergang in die Primarstufe wichtig sind, zum Beispiel das Zahlverständnis. Des Weiteren beschäftigen wir uns mit der Entwicklung der sogenannten Basiskompetenzen im Primarbe- reich, beispielsweise arithmetischen Kompetenzen oder Vorstellungen von zentralen naturwissenschaftlichen Konzepten wie Evolution. Im Themenfeld Sekundarbereich erforschen wir, wie sich schulische Interventionen auf die längerfristige Kompetenzentwicklung von Schüle- rinnen und Schülern auswirken. Dabei berücksichtigen wir individuelle und institutionelle Rahmenbedingungen. Im Fokus stehen zentrale Kon- zepte und Arbeitsweisen in Mathematik, Informatik und den Naturwis- senschaften. Die weitere Entwicklung zentraler Konzepte und Arbeitsweisen ist Ge- genstand des Themenfelds Tertiärbereich. Dabei stellen sich im Kern 18 19

CLiF – Climate Literacy in Focus Ein Großteil der bisherigen Studien befasst sich mit Wissen über den Klimawandel und mit der Bedeutung dieses Wissens für klimafreund- liche Handlungsentscheidungen. Weit weniger Studien beschäftigen sich mit den für Climate Literacy erforderlichen Fähigkeiten, beispielsweise zur Interpretation klimabezogener Grafiken. Die psychologische For- schung konzentriert sich vor allem auf einstellungsbezogene Aspekte, wie die Rolle von Wertorientierungen oder das Bewusstsein für die Ri- siken des Klimawandels. Im Projektverbund CLiF werden kognitive und motivational-affektive Aspekte von Climate Literacy integriert betrach- tet und ihre Rolle für klimafreundliches Handeln wird untersucht. Dabei fokussiert sich der Projektverbund auf drei Leitfragen: • Wie lässt sich Climate Literacy konzeptualisieren und messen? • Wie lässt sich das Professionswissen von Lehrkräften und anderen Bildungsakteurinnen und -akteuren im Kontext von Climate Liter- acy beschreiben und fördern? • Wie kann Climate Literacy in schulischen und außerschulischen Lerngelegenheiten entwickelt werden? Das in Abbildung 1 dargestellte heuristische Modell zur Entwicklung und Wirkung von Climate Literacy überprüfen wir schrittweise in ver- schiedenen CLiF-Projekten. Das Modell kombiniert Elemente etablier- ter Wirkungsmodelle aus Bildungswissenschaft und Psychologie und erklärt hypothetisch, wie sich Lerngelegenheiten und weitere Faktoren auf Climate Literacy und damit letztlich auf klimafreundliches Handeln auswirken. Kontextfaktoren Lern- gelegenheiten Bildungs- prozesse Risikowahr- nehmung Climate Literacy Klimawissen Fähigkeiten Einstellungen Handlungs- intention Risikowahr- nehmung Klimafreundliches Handeln Persönlichkeitsmerkmale Abbildung 1: Heuristisches Modell zur Entwicklung und Wirkung von Climate Literacy (vereinfachte Darstellung). 20 21

EnergieweltenPLUS se Einheiten wurden durchgeführt und gefilmt, die teilnehmenden Ju- gendlichen anschließend interviewt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schülerinnen und Schüler zwar adäquates Wissen über die Ursa- chen und Folgen des Klimawandels besitzen, allerdings nur wenig Bezug zu ihrer eigenen Lebenswelt herstellen. In BriCCS konnten damit Erkenntnisse gesammelt werden, die eine dif- ferenziertere Betrachtung der in Abbildung 1 modellierten Zusammen- hänge ermöglichen. Sie tragen zur Klärung insbesondere der ersten und dritten Forschungsfrage des CLiF-Projektverbunds bei. EnergieweltenPLUS Das durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt geförderte Projekt EnergieweltenPLUS findet in Kooperation mit dem Förderverein Klima- kommune Saerbeck e. V. statt. Der außerschulische Lernort Saerbecker Energiewelten in Nordrhein-Westfalen betreibt Bildungsarbeit zu Kli- maschutz und der Energiewende. Er war zunächst auf Schülerinnen und Schüler ausgerichtet. Im Laufe des Projekts wurde er erweitert und für neue Zielgruppen erschlossen, zum Beispiel für Lehrkräfte im Vorbe- reitungsdienst. Die Forschenden des IPN nutzten die Erweiterung, um die Voraussetzungen für die Förderung von Climate Literacy zu untersu- chen. Dabei waren drei Forschungsfragen leitend: • Welches Wissen brauchen Lehrkräfte, um Climate Literacy bei Schülerinnen und Schülern zu fördern? • Welche formalen Vorgaben machen deutsche Lehrpläne aktuell zur Einbindung und Umsetzung von Klimabildung? • Wie wird Klimabildung in natur- und gesellschaftswissenschaftli- chen Schulbüchern umgesetzt? Die Projektgruppe führte zunächst eine Delphi-Studie durch, also eine mehrstufige Befragung mit bis zu 64 Expertinnen und Experten pro Runde. Aus diesen Interviews mit Fachleuten aus Wissenschaft, Bil- dungsforschung und Schule gingen 13 Themen hervor, die das fachliche und fachdidaktische Professionswissen von Lehrkräften im Kontext von Climate Literacy beschreiben (Abbildung 2). Sieben Themen betreffen das benötigte Fachwissen von Lehrkräften. Sie umfassen die naturwissenschaftlichen Grundlagen von Klimasystem und Klimahistorie ebenso wie Ursachen und Auswirkungen des Klima- wandels, thematisieren aber auch die Beziehung zu anderen gesellschaft- lichen und globalen Problemen. Die sechs übrigen Themen beschreiben, Leve, A.-K., Michel, H. & Harms, U. (2023). Imple- menting climate literacy in schools – what to teach our teachers? Climatic Change, 176(10), Article 134. https://doi.org/10.1007/ s10584-023-03607-z 22 23

EnergieweltenPLUS Ausgehend von diesen Ergebnissen haben wir in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für schulpraktische Lehrerausbildung Münster mehrere Module für die Qualifizierung angehender Lehrkräfte zu den Themen Climate Literacy und Bildung für Nachhaltige Entwicklung erstellt. Die Module wurden inzwischen in Saerbeck und Münster mehrfach erprobt und weiterentwickelt. Um Klimabildung fächerübergreifend zu adres- sieren, wurden zudem angehende Lehrkräfte aller Fächer eingeladen, sich interdisziplinär auszutauschen. Nachdem im Rahmen der Delphi-Studie die für die Klimabildung rele- vanten Aspekte identifiziert waren, untersuchte die Projektgruppe, wie Klimabildung in den Lehrplänen ausgewählter deutscher Bundesländer umgesetzt wird. Es wird deutlich, dass Klimawandel und damit verbun- dene Themen entweder mit dem übergeordneten Thema Nachhaltigkeit verknüpft sind oder als eigenständiges Unterrichtsthema vermittelt wer- den, vor allem in den Naturwissenschaften und der Geografie. Aktuell analysieren die Forschenden in einer weiteren Studie Schul- bücher der Naturwissenschaften und ausgewählter Gesellschaftswis- senschaften. Sie wollen herausfinden, inwieweit formale Vorgaben und praktische Umsetzung mit den Ergebnissen der Delphi-Studie übereinstimmen und damit insbesondere zur Beantwortung der zwei- ten und dritten Forschungsfrage des CLiF-Projektverbunds beitragen. 24 25

forschungslinie professionelle kompetenz von lehrkräften und pädagogischem personal 26 27

Fiedler, D., Baer, D. & Harms, U. (2024). Die Klas- senraumsimulation SKRbio im Biologie-Lehramts- studium. Fähigkeiten zur Diagnose von Argumenten messen und fördern. In N. Graulich, J. Arnold, S. Sorge & M. Kubsch (Hrsg.), Lehr- kräftebildung von morgen (S. 291–300). Waxmann. https://doi.org/10.31244/ 9783830997962.31 Unsere Projektgruppen untersuchten insbesondere das Potenzial von simulationsbasierten Lerngelegenheiten, die als sogenannte Approxi- mations of Practice fungieren und den Erwerb von handlungsnahen Kompetenzen ermöglichen. Anforderungssituationen und Handlungs- optionen werden dabei relativ authentisch und zugleich so reduziert dargestellt, dass ihre Komplexität in einem für die Lernenden angemes- senen Rahmen liegt. Solche standardisierten, inhaltlich fokussierten und beliebig skalierbaren Lerngelegenheiten könnten bereits in die erste Phase der Lehrkräftebildung integriert werden. Der Forschungsstand stützt die Hypothese, dass simulationsbasiertes Lernen komplexer, handlungsnaher Kompetenzen effektiver ist als das Lernen in klassischen Lernsettings, die auf Wissenserwerb oder Pro- blemlösen fokussieren. Gleichzeitig kann die Wirkung von simulations- basierten Lernumgebungen je nach Design und Unterstützungsangebot sehr unterschiedlich sein. Wir fokussieren in unserer Forschung deshalb auf drei Bereiche: (a) Design und Wahrnehmung von digitalen Simula- tionen und deren Eigenschaften als Approximations of Practice, (b) Effekte von Unterstützungsmaßnahmen auf Bearbeitungsprozesse in den Simula- tionen und damit auf den Erwerb von Diagnosekompetenzen, (c) Einsatz von Unterstützungsmaßnahmen, die sich adaptiv an den Bedarf der Ler- nenden anpassen. Die Simulationen, mit denen Forschende des IPN diese Themen untersu- chen, reichen von digitalen Klassenräumen mit simulierten Unterrichts- gesprächen über videobasierte Simulationen mit Eins-zu-Eins-Lehrkräfte- Schüler-Interaktionen bis hin zu Simulationen mit Virtueller Reali- tät (VR). Um die Simulationen adaptiv zu gestalten, setzen wir auch Verfahren ein, die auf Künstlicher Intelligenz basieren wie Machine- 28 29

Effekte unterschiedlicher Unterstützungsmaßnahmen in videobasierten Simulationen 0.7 0.6 0.5 t i e h t a r u k k a e s o n g a i D Bedingung Konzeptuelle Prompts Verknüpfende Prompts Kontrollgruppe Vortest Nachtest Messzeitpunkt Abbildung 1: Geschätzte Lerneffekte der drei Versuchsbedingungen von Vor- zu Nachtest (statistische Modellierung). Eine ergänzende Studie mit 108 Lehramtsstudierenden, bei der neben beiden Arten von Prompts auch affektiv-motivationale Unterstützung an- geboten wurde, belegte erneut die Wirksamkeit konzeptueller Prompts und zeigte auf, dass die Effektivität von affektiv-motivationalen Voraus- setzungen der Teilnehmenden abhängt. Gerade Lehramtsstudierende, die sich vorab keine guten Diagnosen zugetraut hatten, machten mit konzep- tuellen Prompts signifikante Fortschritte: Sie konnten ihre Diagnoseleis- tung fast verdoppeln. Nickl, M., Sommerhoff, D., Böheim, R., Ufer, S. & Seidel, T. (2024). Fostering pre-service teachers’ assessment skills in a video simulation. Zeitschrift für Pädagogische Psychologie, 38(1–2), 27–34. https://doi. org/10.1024/1010-0652/ a000362 An die beiden Studien anknüpfend wurde als dritte Studie eine sogenann- te Profilanalyse durchgeführt (Latent Profile Analysis). Dafür wurden in- nerhalb der Simulation die Diagnoseprozesse Beschreiben, Erklären und Entscheiden von 210 Lehramtsstudierenden automatisiert erfasst und un- ter Berücksichtigung der individuellen Lernvoraussetzungen ausgewertet. Die Analyse ergab, dass sich die Lehramtsstudierenden in ihren Diagnose- prozessen signifikant voneinander unterschieden. Es zeigten sich vier Dia- gnoseprofile. Mit 144 Studierenden war die Gruppe mit einem insgesamt schwachen Profil am größten: Diese Studierenden beschrieben, erklär- ten und entschieden wenig. Zwei weitere Profile wurden durch jeweils 16 Studierende definiert, die sich entweder auf das Beschreiben oder auf das Entscheiden fokussierten. 24 Studierende zeigten ein ausgewogenes Profil mit mittleren Werten in allen Prozessen. Radkowitsch, A., Sommerhoff, D., Nickl, M., Codreanu, E., Ufer, S. & Seidel, T. (2023). Exploring the diagnostic pro- cess of pre-service teachers using a simulation—A latent profile approach. Teaching and Teacher Education, 130, Article 104172. https://doi.org/ 10.1016/j.tate.2023.104172 30 31

Lehren lernen im Virtual-Reality-Laborklassenzimmer Simulationen können auch hier helfen, realistische und dynamische Un- terrichtssituationen zu schaffen und die Entwicklung der notwendigen Fähigkeiten und motivationalen Orientierungen zu fördern. Insbeson- dere mit VR-Anwendungen können synthetische, hochgradig interakti- ve, dreidimensionale Umgebungen für spezifische Anforderungssituati- onen erzeugt werden. In Kooperation mit der Universität Potsdam hat das IPN einen VR-Klas- senraum für angehende Chemie-Lehrkräfte entwickelt, in dem authen- tische Situationen zum Thema Sicherheit beim Experimentieren in Kleingruppen generiert werden können (Abbildung 2). In der Klassen- situation können allgemeine Störungen wie Unaufmerksamkeit genau- so erzeugt werden wie fachspezifische Situationen, etwa Verpuffungen beim Entzünden eines Gasbrenners. Abbildung 2: Frontansicht des VR-Laborklassenzimmers. Die Schülerinnen und Schüler sind mit Bunsenbrennern, Reagenzgläsern und Schutzbrillen ausgestattet. Einige zeigen unaufmerksames Verhalten. In einer ersten Erhebung führte die Projektgruppe ein Unterrichtssze- nario mit 28 Bachelor- und Masterstudierenden im Lehramt Chemie durch. Die Teilnehmenden bekamen die Aufgabe, den sogenannten „Gasbrennerführerschein“ durchzuführen, ein klassisches Setting im Anfangsunterricht Chemie, durch das Schülerinnen und Schüler den Um- 32 33

Lehren lernen im Virtual-Reality-Laborklassenzimmer nicht gut genug zu den Äußerungen der Lehrkräfte, sodass die Dialoge nicht immer realistisch wirken. In zukünftigen Untersuchungen wird der Fokus darauf liegen, die Diagnosefähigkeiten der Studierenden ge- nauer zu erfassen und sie durch Unterstützungsmaßnahmen und syste- matisch aufeinander aufbauende Unterrichtsszenarien zu fördern. Das Potenzial simulationsbasierter Lernumgebungen für die zweite und dritte Phase der Lehrkräftebildung wird derzeit im Kompetenzverbund lernen:digital des BMBF und im Verbundprojekt Digitalisierungsbezo- gene und digital gestützte Professionalisierung von MIN-Lehrkräften (DigiProMIN) untersucht. Hier arbeitet das IPN mit der Universität Potsdam, der Humboldt-Universität und der Freien Universität in Berlin sowie mit der TU München und der LMU München und weiteren Part- nern zusammen. Digitale Technologien wie Simulationen sollen für die Professionalisierung von Lehrkräften erschlossen werden, die bisher vor allem auf traditionelle, nicht-digitale Formate gesetzt hat. So könnten beispielsweise Anwenderinnen und Anwender Inhalte von Fort- oder Weiterbildungen in Simulationen direkt umsetzen. Zugleich verbessert der Einsatz von Simulationen die digitalen Kompetenzen der teilneh- menden Lehrkräfte. 34 35

forschungslinie wissenschaftskommunikation und extracurriculares lernen 36 37

Tabelle 1: Leitfragen und inhaltliche Schwerpunkte der Forschungslinie - - s s u u k k o o F F h h c c i i e e r r e e b b e e g g a a r r f f t t i i e e L L e e t t k k n n u u p p r r e e w w h h c c S S e e h h c c i i l l t t l l a a h h n n I I Teilhabe an und Wirkung Teilhabe an und Wirkung Designprozesse Designprozesse Bildungsökosysteme Bildungsökosysteme von Angeboten von Angeboten Welche Faktoren Welche Faktoren beeinflussen Teilhabe an beeinflussen Teilhabe an Angeboten sowie deren Angeboten sowie deren Nutzung und Wirkung? Nutzung und Wirkung? ∙ Merkmale und Ziele von Museumsbesucherinnen und -besuchern beschreiben ∙ Teilnehmende der Science- Olympiaden verstehen, um sie besser zu fördern ∙ Unbeabsichtigte Wirkungen bei Misserfolg in Science- Olympiaden verstehen und verhindern ∙ Nonformale Bildungs- angebote nutzen, um Identitätsentwicklung bei unterrepräsentierten Gruppen zu unterstützen ∙ Wirkmechanismen von (visuellen) Formaten in der Wissenschaftskommunika- tion für unterschiedliche Zielgruppen verstehen Wie können Wie können Forschungsinhalte unter Forschungsinhalte unter Einbeziehung der verschie- Einbeziehung der verschie- denen Akteurinnen und denen Akteurinnen und Akteure (kollaborativ bzw. Akteure (kollaborativ bzw. partizipativ) in Angebote partizipativ) in Angebote überführt werden? überführt werden? ∙ Entwicklung von Outreach- Angeboten (z. B. in Sonder- forschungsbereichen) durch Design-based Research ∙ Designprozesse in inter- und transdisziplinären Settings verstehen und unterstützen ∙ Rezipientinnen und Rezipienten effektiv in partizipative Entwicklungs- prozesse einbeziehen Wie lassen sich durch Wie lassen sich durch systematische Vernetzung systematische Vernetzung von Angeboten nachhaltige von Angeboten nachhaltige Wirkungen bei den Wirkungen bei den Teilnehmenden erzielen? Teilnehmenden erzielen? ∙ Auf- und Ausbau von Netzwerken, die Expertise bündeln und Professiona- lisierung ermöglichen (Kieler Forschungswerkstatt und MINT-Akademie Schleswig-Holstein) ∙ Bündelung von Outreach- Projekten der Exzellenz- und Verbundforschungs- programme der Kieler Universität ∙ Implementation wirksamer Entwicklungs- und Förderstrukturen ∙ Systematische evidenz- basierte Entwicklung und Evaluation Durch die abteilungsübergreifende Arbeit an diesen Leit- und Forschungs- fragen können wir ein breites Spektrum an Methoden und prototypi- schen Angeboten einsetzen. Beispiele sind Wettbewerbe, Schülerlabore, Ausstellungen, Museen, Outreach-Events und digitale Formate. Für die ersten beiden Fokusbereiche – Teilhabe an und Wirkung von Angeboten sowie Designprozesse – wird dies nachfolgend näher ausgeführt. 38 39

Wie adressieren wir erfolgreich verschiedene Zielgruppen? zeigt sich, dass bestimmte Personengruppen deutlich seltener an frei- willigen nonformalen und informellen Angeboten teilnehmen. Dies be- trifft Frauen, insbesondere in der Physik, und Menschen aus bildungs- fernen oder sozioökonomisch schwachen Familien. In einem Überblicksartikel haben wir hierzu Ergebnisse aus verschie- denen Studien zusammengetragen, die sich mit nonformalen und in- formellen Bildungsangeboten für marginalisierte Gruppen befassen. Darauf basierend entwickelten wir Handlungsempfehlungen, um diese Bildungsangebote zu verbessern und eine günstige Identitätsentwick- lung marginalisierter Gruppen in den MINT-Bereichen Mathematik, In- formatik, Naturwissenschaften und Technik zu unterstützen (Tabelle 2). Angebote sollten bereits in der Werbung für Teilnahme und ihrer Au- ßendarstellung potenziell ausgrenzende Faktoren vermeiden, etwa durch die Auswahl nicht-stereotyper Bilder für Internetseiten. Sie soll- ten Hands-on-Aktivitäten, Experimente und Kontexte bieten, die aus der Lebenswelt der Teilnehmenden kommen, aber auch repräsentativ sind für Tätigkeiten im jeweiligen naturwissenschaftlichen Bereich. Zudem sollten sie Gelegenheiten schaffen, bei denen die Teilnehmenden sich untereinander und mit Mitarbeitenden und Rollenvorbildern, die eben- falls aus marginalisierten Gruppen kommen, austauschen können. Das Knüpfen persönlicher, bedeutsamer Bindungen sollte explizit gefördert werden. Çolakoğlu, J., Steegh, A. & Parchmann, I. (2023). Reimagining informal STEM learning opportunities to foster STEM identity de- velopment in underserved learners. Frontiers in Edu- cation, 8, Article 1082747. https://doi.org/10.3389/ feduc.2023.1082747 40 41

Wie kann man kollaborative Entwicklungsprozesse besser verstehen und unterstützen? Thoma, G.-B., Kampschulte, L., Gramser, S. & Uemminghaus, M. (2024). Museen und ihre Besucher*innen. Vergleichen- de Analyse der Besucher*innen von 22 Museen und Science Centern in Deutschland und Österreich. Kulturstatistik, 180, 62–70. Kellberg, S., Nordine, J., Keller, M. & Lewalter, D. (2023). Fostering students’ willingness to act pro- environmentally through an identity-oriented socio- scientific exhibition on the energy transi- tion. Frontiers in Educa- tion, 8, Article 1081633. https://doi.org/10.3389/ feduc.2023.1081633 chenden. Erwartungsgemäß sind typische Museumsbesuchende Perso- nen, die offen für neue Erfahrungen sind. Sie empfinden naturkundliche und naturwissenschaftlich-technische Museen dabei gleichermaßen als ästhetisches Erlebnis wie kulturhistorisch-archäologische Museen. Ausstellungen als Lerngelegenheiten für Jugendliche waren Thema einer weiteren Arbeit in der Forschungslinie. Untersucht wurde, welche fach- lichen Voraussetzungen Jugendliche mitbringen müssen, um eine kri- tische, handlungsorientierte Ausstellung zur Energiewende effektiv als Lerngelegenheit nutzen zu können. Gut vorbereitet waren diejenigen Schülerinnen und Schüler, die im Physikunterricht systematisch kon- zeptuelles Wissen über Energie aufgebaut hatten. Nach dem Besuch der Ausstellung konnten die Schülerinnen und Schüler Vor- und Nachteile verschiedener Energieträger differenzierter bewerten. Sie waren in ih- rer Absicht gestärkt, sich energiesparend und klimafreundlich zu verhal- ten, auch wenn sie dafür höhere persönliche Kosten (z. B. Mehraufwand, nicht den aktuellen Trends entsprechen) zahlen müssten. Wie kann man kollaborative Entwicklungsprozesse besser verstehen und unterstützen? Die Ausführungen zeigen bereits, dass die nachhaltige Entwicklung von Angeboten ein komplexer Prozess ist. Vor allem die gleichberechtigte Ein- bindung von Personen mit unterschiedlicher Expertise stellt eine große Herausforderung dar. Für die Arbeit in dieser Forschungslinie ist deshalb das Design-Based-Research-Paradigma zentral, bei dem verschiedene Ex- pertinnen und Experten und Zielgruppen in die evidenzbasierte Weiter- entwicklung von Angeboten eingebunden werden. Dies soll im Folgen- den anhand eines Fallbeispiels veranschaulicht werden, dem Darwintag an der Kieler Universität. Ziel des Darwintags ist es, Themen aus der aktu- ellen evolutionsbiologischen Forschung an Schülerinnen und Schüler der Oberstufe zu vermitteln. Jedes Jahr präsentieren Hochschulmitglieder in vier bis fünf Vorträgen ein anderes Schwerpunktthema, zum Beispiel Evo- lution im Meer, translationale Evolutionsforschung, Pandemien im Licht der Evolution oder Evolution von Metaorganismen. Vortrags-Events wie der Darwintag sind ein beliebtes Outreach-Format der universitären Wissenschaftskommunikation. Im Rahmen unserer Be- teiligung am Sonderforschungsbereich 1182 der Kieler Universität unter- suchten wir ihn deshalb als Prototyp für solche Events und entwickelten das Format kollaborativ weiter. Die befragten Schulklassen und Lehrkräfte nahmen die Vorträge als inhaltlich komplex wahr. In der Regel konnten sie keine Bezüge zu schulischem Vorwissen herstellen. Ziel der weiteren 42 43

Ausblick sind zahlreiche Fragestellungen für die fachdidaktische Forschung, etwa, wie sich Interessen verschiedener Schülergruppen entwickeln, wie Ar- beitsweisen interdisziplinärer Wissenschaft für Schülerinnen und Schü- ler nachvollziehbar werden oder wie die gesellschaftliche Bedeutung interdisziplinärer Wissenschaft für und mit Schülerinnen und Schülern reflektiert werden kann. Entsprechende Erkenntnisse bilden die Grund- lage für eine stärkere Verknüpfung zwischen schulischem Lernen und aktueller Forschung. Auch das Kiel Science Communication Network (KielSCN), an dem das IPN beteiligt ist, erforscht das Potenzial kollaborativen Designs für For- schung und Praxis, und zwar in der Wissenschaftskommunikation. Kol- laboratives Design wird dabei als strukturierter Prozess gesehen, in den Akteurinnen und Akteure ihre unterschiedlichen Perspektiven und Fach- kenntnisse einbringen, um Produkte der Wissenschaftskommunikation zu entwickeln, zum Beispiel Tools, Materialien oder Veranstaltungen. Dabei gibt es zwei Wege: (a) kollaboratives Design unter Expertinnen und Ex- perten, zum Beispiel aus der naturwissenschaftlichen Forschung, der Wis- senschaftskommunikationsforschung sowie aus Design und Praxis, und (b) die Erweiterung des Designteams beispielsweise um Personen, die entsprechende Produkte besuchen, lesen oder anderweitig nutzen. Die Designprozesse werden in Fallstudien und experimentell erforscht, un- ter anderem um herauszufinden, wie sich die Einbindung von Zielgrup- pen auf die Vertrauenswürdigkeit der entwickelten Kommunikations- formate und Produkte auswirkt. Ausblick Seit Gründung der Forschungslinie untersuchen wir nicht allein bereits bestehende informelle und nonformale Bildungsangebote. Im Fokus stehen für uns stets die Fragen, wer die Angebote wahrnimmt und wie sie wirken. Neben bestehenden Angeboten wie den ScienceOlympiaden und der Kieler Forschungswerkstatt wurden verschiedene Outreach- Projekte gestartet. Dabei haben wir versucht, alle diese Angebote, zu- mindest punktuell, aufeinander zu beziehen. Langfristig sollen so bisher eher isolierte Angebote in ein Netzwerk aus sich ergänzenden bzw. aufein- ander aufbauenden Angeboten überführt werden. Übergeordnetes Ziel der Forschungslinie wird es auch in den kommenden Jahren sein, das Zusammenwirken von empirischer Forschung und forschungsbasierter Entwicklung zu fördern und die Erkenntnisse in Angebote der schu- lischen Bildung und Professionalisierungsmaßnahmen einzubringen. Enzingmüller, C. & Marzavan, D. (2024). Collaborative design to bridge theory and prac- tice in science communi- cation. Journal of Science Communication, 23(02), Article Y01. https://doi. org/10.22323/2.23020401 44 45

forschungslinie methodenforschung und maschinelles lernen 46 47

Pädagogisch-psychologische Methodenforschung In vielen Fällen bearbeiten wir die Themenfelder im Zusammenhang mit großen quer- und längsschnittlichen Bildungsvergleichsstudien (Large-scale Assessments; zum Beispiel PISA, Programme for Interna- tional Student Assessment; TIMSS, Trends in Mathematics and Science Study; NEPS, Nationales Bildungspanel). Entstehen schon in diesen Stu- dien große Datensätze, so generieren digitale Lernumgebungen, in denen alle Arbeitsschritte automatisch gespeichert werden, noch viel größere Datenmengen. Die Auswertung dieser Big Data erfordert Methoden des Maschinellen Lernens. Digitale Lernumgebungen bieten große Chancen, Schülerinnen und Schülern automatisierte lernunterstützende Rückmel- dungen über ihre Arbeitsschritte und -ergebnisse zu geben. Auch hierbei helfen Methoden des Maschinellen Lernens. Neben der Entwicklung von Methoden formulieren wir in dieser For- schungslinie auch Empfehlungen für die wissenschaftliche Praxis in der empirischen Bildungsforschung. Beispielsweise generieren wir Empfeh- lungen, welche statistischen Verfahren für die jeweilige Datenauswer- tung geeignet sind. Hiervon profitieren insbesondere die empirisch aus- gerichteten Arbeiten der anderen Forschungslinien im IPN. Ein Teil der Arbeiten ist eng mit dem Zentrum für internationale Bil- dungsvergleichsstudien (ZIB) abgestimmt. Das IPN ist Partnereinrich- tung im ZIB, neben dem DIPF | Leibniz-Institut für Bildungsforschung und Bildungsinformation und der Technischen Universität München. Im ZIB werden unter anderem das Projektmanagement und die Bericht- erstattung von PISA auf nationaler Ebene koordiniert. Pädagogisch-psychologische Methodenforschung Im Themenfeld Modellierung latenter Variablen werden Modelle entwickelt, mit denen sich psychologische Konstrukte, etwa schulische 48 49

Pädagogisch-psychologische Diagnostik Im Themenfeld Schätzung von kausalen Effekten werden statistische Verfahren untersucht, die auch dann eine zumindest vorsichtige kau- sale Interpretation ermöglichen, wenn keine zufällige Zuweisung zu Un- tersuchungsbedingungen (Randomisierung) vorliegt, etwa bei nicht- experimentellen Daten. In einem Arbeitsschwerpunkt evaluieren wir ver- schiedene Propensity-Score-Ansätze zur Schätzung von kausalen Effekten, wenn die Daten in einer Mehrebenenstruktur vorliegen. Solche Propensity- Score-Ansätze sollen gewährleisten, dass Unterschiede zwischen Perso- nengruppen (z. B. in den Testergebnissen) lediglich auf die Gruppenzuge- hörigkeit zurückgeführt werden können und nicht auf andere Faktoren. Pädagogisch-psychologische Diagnostik Im Themenfeld des Bildungsmonitorings ist das IPN als Mitglied des ZIB regelmäßig an der Planung, Auswertung und Dokumentation der nationalen PISA-Erhebung beteiligt. Darüber hinaus ist das Institut Mit- glied in den nationalen Konsortien der TIMSS und der International Computer and Information Literacy Study (ICILS). Ende 2023 wurden die Ergebnisse der jüngsten PISA-Studie publiziert, die unten detail- lierter ausgeführt werden. Ende 2024 wurden auch die Ergebnisse der TIMSS- und ICILS-Erhebungen von 2023 vorgestellt. Für das gemein- same nationale Projektmanagement für PISA 2025 und TIMSS 2027 ha- ben bereits die Planungen mit dem ZIB, der Universität Hamburg und weiteren universitären und außeruniversitären Partnern begonnen. Im Themenfeld der Diagnostik und Testentwicklung entwickeln die Mitarbeitenden Testaufgaben (Items) für NEPS und TIMSS. In der so- Lewalter, D., Diedrich, J., Goldhammer, F., Köller, O. & Reiss, K. (Hrsg.). (2023). PISA 2022. Analyse der Bildungsergebnisse in Deutschland. Waxmann. 50 51

PISA 2022 für Mathematik und 2006 für die Naturwissenschaften mit einem Mit- telwert von M = 500 und einer Standardabweichung von SD = 100 de- finiert wurde. Dadurch lassen sich Trendanalysen durchführen, die zeigen, wie sich die Leistungsstände von 15-Jährigen über die Zeit verändern. Die 2022 gewonnenen Daten sind von besonderem Interesse, da die getesteten Schülerinnen und Schüler in erheblichem Maße von Schul- schließungen betroffen waren. In Deutschland waren die Schulen mit Sekundarstufe I 2020 und 2021 pandemiebedingt an 85 Tagen geschlos- sen. In vielen Regionen gab es zusätzliche Ausfälle, wenn Gesundheits- behörden nach Corona-Ausbrüchen die Schließung der betroffenen Schulen anordneten. Schon vor der Auswertung der PISA-Daten zeigten Veröffentlichungen, dass es in vielen Staaten pandemiebedingte Lern- rückstände gab. Laut einer Anfang 2023 publizierten Metaanalyse ent- sprachen die mittleren Lernrückstände im Fach Mathematik einer Ef- fektstärke von d = 0.18, im Lesen einem d = 0.10. Auf PISA übertragen bedeuteten diese Ergebnisse, dass 2022 für das Fach Mathematik ein Rückgang von 18 Punkten zu erwarten war. Im Lesen lag der erwartete Rückgang bei 10 Punkten. Da für die naturwissenschaftlichen Kompe- tenzen keine belastbaren Daten über Pandemieeffekte vorlagen, ließen sich hier keine Prognosen abgeben. 52 53

PISA 2022 ler gezählt, deren Kompetenzen so gering sind, dass ihnen der Über- gang in eine qualifizierte Ausbildung voraussichtlich nicht gelingt. Die Spitzengruppe bilden Schülerinnen und Schüler, deren Kompetenzen deutlich über den Erwartungen am Ende der Sekundarstufe I liegen. Die differenzierte Analyse in Abbildung 2 zeigt, dass sowohl die Leis- tungen der Spitzengruppe als auch die der Risikogruppe zurückgegan- gen sind. Während die Risikogruppe über zehn Jahre in beiden Testdomänen um mehr als 10 Prozentpunkte dramatisch gewachsen ist, ist die Spitzen- gruppe deutlich kleiner geworden, in Mathematik hat sich ihr Anteil sogar halbiert. Unterschiedliche Programme erscheinen notwendig, wollte man diesen negativen Trends begegnen. Mindestens drei Maßnahmen bieten sich an: • Förderung basaler Kompetenzen in den Risikogruppen, • Steigerung der Unterrichtsqualität für alle Gruppen, • außerschulische Angebote vor allem zur Vergrößerung der Spitzen- gruppe. Mathematik 17.5 17.8 17.2 10.7 13.3 21.1 8.6 29.5 Naturwissenschaften 12.2 12.2 10.6 17 10 8.7 19.8 22.8 r h a J 2012 2015 2018 2022 r h a J 2012 2015 2018 2022 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 15-Jährige in % 15-Jährige in % Spitzengruppe Risikogruppe Abbildung 2: Veränderungen des Anteils der Spitzen- und Risikogruppe in PISA (Mathematik und Naturwissen- schaften) zwischen 2012 und 2022. 54 55

Kann KI-generiertes Feedback die Leistungen von Schülerinnen und Schülern steigern? * 2.87 2.7 Vor Feedback Nach Feedback 2.45 2.47 t r e w l e t t i M 3 2.8 2.6 2.4 2.2 2 KG EG Abbildung 3: Textqualität in Abhängigkeit von der Art des Feedbacks. KG: Gruppe wurde lediglich gebeten, den Text zu überarbeiten, EG: Gruppe erhielt Feedback durch ein Large Language Model. * p = .04. In einer anschließenden Transferaufgabe zeigten sich keine Unter- schiede zwischen den Gruppen. Aus lernpsychologischer Sicht war auch nicht zu erwarten, dass ein einmaliges LLM-generiertes Feedback zu einer nachhaltigen Verbesserung der Schreibkompetenzen führt. Die Ergebnisse zeigen aber, dass LLM in einer konkreten Schreibsituation zu einer substanziellen Leistungssteigerung beitragen können. Die Forschungslinie Methodenforschung und Maschinelles Lernen wird ihre Agenda auch in Zukunft an zentralen methodisch-statistischen Pro- blemen der empirischen Schul- und Unterrichtsforschung ausrichten. Dabei werden die Bereiche der Data Science und des Maschinellen Ler- nens durch eine neue, gemeinsam mit der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel berufene Professur gestärkt. 56 57

Die Abteilung Didaktik der Biologie fokussierte in den Jahren 2023 und 2024 Fragestellungen zu drei Themenschwerpunkten: die Ent- wicklung evolutionsbiologischen Wissens, die Entwicklung und Förde- rung naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen und der Beitrag des Fachs Biologie in Schule und Hochschule zu den gesellschaftlichen Herausforderungen Klimawandel und Rassismus. Für eine biologische Bildung ist Wissen über die Evolution zentral: Die Evolutionstheorie erklärt die Entstehung aller Lebewesen und ermög- licht Vorhersagen über deren weitere Entwicklung. Bereits junge Kin- der entwickeln intuitive Erklärungen über Lebewesen und ihre Umwelt. Solche kindlichen Theorien können das weitere Lernen behindern. Stu- dien zeigen, dass viele Jugendliche und Studierende evolutionsbiologi- sche Zusammenhänge falsch erklären. Vermutlich haben diese falschen Erklärungen ihren Ursprung in einem sehr frühen Alter. Vorstellungen, die Vorschulkinder von den evolutionsbiologischen Prin- zipien Variation und Selektion haben, standen deshalb im Fokus einer Arbeit in der Forschungslinie Fachliches Lernen im vorschulischen und schulischen Bereich. Es wurden entsprechende Materialien und ein Messinstrument für Vorschulkinder entwickelt, validiert und anschlie- ßend in einer Interventionsstudie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten Kinder – teilweise auch bereits vor der Intervention – grundlegende Vorstellungen davon haben, dass Tiere und Pflanzen derselben Art unterschiedlich aussehen können. Allerdings können sie sich die Gründe für diese individuelle Variation noch nicht erklären. Auch wissen die meisten Kinder nicht, dass sich auch Pflanzen sexu- ell fortpflanzen. Das Prinzip der Selektion konnten die meisten Kinder zwar erklären, wenn es um Individuen ging. Sie wussten zum Beispiel, dass Tiere sterben, wenn sie nicht genug Nahrung finden. Sie konnten Adler, I. K., Fiedler, D. & Harms, U. (2024). About birds and bees, snails and trees: Children’s ideas on animal and plant evolution. Science Education, 108(5), 1356–1391. https://doi. org/10.1002/sce.21873 58 59 59

Motive im Verlauf des Studiums entwickeln. Erste Ergebnisse zeigen, dass es sinnvoll ist, Berufswahlmotive fachspezifisch zu betrachten: Zwar gaben die Studierenden auch allgemeine Motive an, zum Beispiel den Wunsch, mit Kindern und Jugendlichen zu arbeiten. Viele nannten aber darüber hinaus ihr Interesse an der Biologie und deren Relevanz als bedeutsame Motive für ihre Berufswahl. Insgesamt wurde deutlich, dass viele der angehenden Lehrkräfte Motivkonstellationen mitbringen, die zu den Herausforderungen des Lehrkräfteberufs passen. Im Fokus einer weiteren Arbeit in dieser Forschungslinie stand der Ge- netikunterricht in der Sekundarstufe II und an Hochschulen. Gemein- sam mit internationalen Expertinnen und Experten wurde ein Lehrkon- zept entwickelt, das rassistischen Haltungen entgegenwirken soll. Der Begriff der „Rasse“ ist für den Menschen biologisch nicht haltbar. Die Autorinnen und Autoren empfehlen, den Einfluss sozialer und politi- scher Faktoren in der Humangenetik explizit zu thematisieren und die Einteilung von Menschen in Kategorien in diesem Zusammenhang im Genetikunterricht zu hinterfragen. Die Abteilung Didaktik der Biologie unterstützt mit dieser Arbeit das übergreifende Ziel des IPN, Bildungs- system und Gesellschaft resilienter zu machen. Gesellschaftlichen Herausforderungen widmet sich auch ein Cluster ver- schiedener Projekte in den drei Forschungslinien Fachliches Lernen im vorschulischen und schulischen Bereich, Professionelle Kompetenz von Lehrkräften und pädagogischem Personal sowie Wissenschaftskommu- nikation und extracurriculares Lernen. Die Forschenden untersuchten unter anderem, wie Klimabildung als Teil der naturwissenschaftlichen Grundbildung aussehen sollte und wie diese fächerübergreifende Auf- gabe in Schulcurricula integriert werden kann. Dazu führten sie eine umfangreiche Delphi-Studie mit Fachleuten aus Klimaforschung und Bildungswissenschaften, Lehrkräfte-Fortbildenden und Lehrkräften der natur- und gesellschaftswissenschaftlichen Fächer durch. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für die geplante Ausarbeitung von Empfehlungen zur Integration der Klimabildung in die Schulcurricula. Duncan, R. G., Krishna- moorthy, R., Harms, U., Haskel-Ittah, M., Kam- pourakis, K., Gericke, N. ... Yarden, A. (2024). The sociopolitical in human genetics education. Educa- tion must go beyond only countering essentialist and deterministic views of ge- netics. Science, 383(6685), 826–828. https://doi. org/10.1126/science. adi8227 60 61 61

Chemie verstehen, Zugänge schaffen, Innovationen aufgreifen – die- ser Dreiklang umreißt die Arbeiten der Abteilung Didaktik der Che- mie. Wir gehen Fragen zur „Welt der Dinge“ nach, die vom individuellen Alltag bis zu den großen gesellschaftlichen Herausforderungen reichen. Ob Klimaentwicklung, Rohstoffsicherheit, Nahrungs- und Energiever- sorgung oder Mobilität: Chemische Kenntnisse sind essenziell, wenn man diese Themen bearbeiten, bewerten oder vermitteln will. Infor- mierte Bürgerinnen und Bürger sollen nicht nur Expertinnen und Exper- ten verstehen, sondern auch selbst mitentscheiden und kommunizieren können. Die Bandbreite unserer Arbeiten reicht daher vom Erforschen grundlegender Mechanismen, wie sich Interessen und Verständnis ent- wickeln, bis hin zur Optimierung von Angeboten für die schulische und außerschulische Bildung und die Wissenschaftskommunikation. In der Forschungslinie Fachliches Lernen im vorschulischen und schu- lischen Bereich entwickeln und untersuchen wir Lerngelegenheiten zu etablierten Themen des Schulunterrichts ebenso wie zu aktuellen Themen der chemisch-naturwissenschaftlichen Forschung verbunden mit gesellschaftlichen Herausforderungen. Die Abteilung nimmt dafür auch Merkmale der Lernenden in den Blick, zum Beispiel Interessen oder sprachbezogene Fähigkeiten. Das Interesse von Schülerinnen und Schülern am Chemieunterricht nimmt im Laufe der Zeit oftmals ab. Die Abteilung entwickelte deshalb verschiedene Interventionen für den Re- gelunterricht, die das Interesse der Jugendlichen am Chemieunterricht erhalten sollen. Ochsen, S., Bernholt, A., Grund, S. & Bernholt, S. (2023). Interestingness is in the eye of the beholder – the impact of formative assessment on students’ sit- uational interest in chemis- try classrooms. International Journal of Science Education, 45(5), 383–404. https://doi. org/10.1080/09500693.202 2.2163204 62 63 63

Auch digitale Werkzeuge und Technologien können Kontextualisie- rung erleichtern. Welche weiteren Möglichkeiten sie in verschiedenen Lehr-Lernszenarien bieten, untersuchen wir in Studien zu den Wech- selwirkungen zwischen Experimenten und Simulationen (beispielswei- se zur Ostseeversauerung oder zur Funktionalität von Molekülen), zu multimedialen Lernressourcen (beispielsweise Erklärvideos und adapti- ve Lernaufgaben zu spezifischen Fachkonzepten) und zu Lernumgebun- gen, die Virtuelle Realität nutzen. Weiterhin wird das Potenzial digitaler Technologien zur Analyse individueller Lernprozesse in der Abteilung erforscht. Dazu entwickeln und evaluieren wir Fortbildungen, in denen Lehrkräfte lernen, wie sie digitale Medien reflektiert und gewinnbrin- gend im Unterricht nutzen können. Leitend für alle Transferaktivitäten ist die Frage, wie der co-curricula- re Ansatz von schulischem und außerschulischem Lernen Schülerinnen und Schüler, Lehrkräfte und Fachleute der Wissenschaftskommunikation befähigen kann, die großen gesellschaftlichen Aufgaben zu bewältigen. Essenziell ist dafür die kontinuierliche Zusammenarbeit mit Lehrkräften und Fachleuten bei der Entwicklung von Bildungsangeboten. Zugleich beforschen wir auch den Prozess dieser Zusammenarbeit. Sacristán, D., Stamer, I., Kohlstedt, H., Beyer, I. & Parchmann, I. (2024). An interdisciplinary research field transformed into an intermedial science exploration programme: How to explore neurotronics research and development in a school student laboratory programme. The European Physical Journal B, 97, Article 175. https://doi. org/10.1140/epjb/s10051- 024-00807-z 64 65 65

Die Arbeitsgruppe Didaktik der Informatik erforscht, wie effektive Lernumgebungen im Fach Informatik gestaltet sein sollten, speziell an allgemeinbildenden Schulen. Ein zweiter Schwerpunkt liegt auf der Professionalisierung von Lehrkräften. Durch die fortschreitende Inte- gration von Informatik in den Pflichtunterricht der Sekundarstufe ent- stehen Bedarfe sowohl an Unterrichtskonzepten als auch an Konzepten für Lehrkräfteaus- und weiterbildung, die durch die Arbeiten der Ar- beitsgruppe aufgegriffen werden. Gleichzeitig sind viele grundlegende fachdidaktische Fragen für das Fach Informatik nach wie vor offen und auch diese werden von der Arbeitsgruppe in den Blick genommen. In der Forschungslinie Professionelle Kompetenz von Lehrkräften und pädagogischem Personal haben wir designbasiert eine Maßnahme zur Förderung grundlegender digitaler und informatischer Kompetenzen von Lehramtsstudierenden entwickelt. Teile dieser Maßnahme sind als E-Learning-Angebot frei zugänglich. Andere Arbeiten befassen sich mit dem fachdidaktischen Wissen, das Lehrkräfte brauchen, um geeignete Programmierwerkzeuge auswählen zu können. Aktuell entwickelt und evaluiert die Arbeitsgruppe im Pro- jektverbund Digitalisierungsbezogene und digital gestützte Professiona- lisierung von MIN-Lehrkräften (DigiProMIN) eine Fortbildungsreihe zu evidenzbasiertem Unterricht von Computational Thinking und zur Rolle des Programmierens in zeitgemäßem Informatikunterricht. Die Grund- lage bildet von uns entwickeltes, frei verfügbares Unterrichtsmaterial. Kruse, L., Mühling, A. & Kleickmann, T. (2023). Fachintegrierte Förderung digitaler Kompetenzen von Lehramtsstudierenden – Ergebnisse einer explorativen Studie. k:ON – Kölner Online Journal für Lehrer*innenbil- dung, 7(7), 224–242. https://doi.org/10.18716/ OJS/KON/2023.11 Braune, G. & Mühling, A. (2024). Programmieren lernen mit dem genetischen Ansatz. Informatische Bildung in Schulen, 2(1). https://doi. org/10.18420/ibis-02-01-08 66 67 67

In der Forschungslinie Fachliches Lernen im vorschulischen und schu- lischen Bereich führte die Arbeitsgruppe ein Projekt zur automatischen und adaptiven Diagnose von Fehlvorstellungen beim Programmieren weiter. Die darin durchgeführte Studie mit etwa 300 Schülerinnen und Schülern überprüfte die Qualität eines Systems, das Fehlvorstellungen identifizieren kann, die aus der Literatur bekannt sind. Es ermöglicht schnelles und konkretes Feedback für Lehrkräfte und Lernende. Mühling, A. & Große- Bölting, G. (2023). Novices’ conceptions of machine learning. Com- puters and Education: Artificial Intelligence, 4, Article 100142. https:// doi.org/10.1016/j.ca- eai.2023.100142 Die Arbeitsgruppe forscht sowohl zu etablierten Lerngegenständen des Informatikunterrichts wie Programmieren, speziell im Anfangsunter- richt der Sekundarstufe I, als auch zu aktuellen Erweiterungen des The- menkanons, wie Künstliche Intelligenz (KI) und Maschinelles Lernen. Im Projekt KI-Labor beispielsweise entwickelte sie Online-Lernumge- bungen für den Unterricht zur Künstlichen Intelligenz. Eine erste Studie zum Einsatz im Informatikunterricht zeigt, dass diese Lernumgebungen Schülerinnen und Schüler während der eigenständigen Bearbeitung motivieren. Weitere Untersuchungen zu diesem Thema sind geplant. Welche Vorstellungen Oberstufen-Schülerinnen und -Schüler vom Ma- schinellen Lernen haben, war Thema einer weiteren Erhebung. Die Forschenden konnten daraus ein hierarchisch gestuftes Modell von Prä- konzepten ableiten. Im nächsten Schritt soll auf Basis des Modells ein Fragebogen entwickelt werden, der dann zur Evaluation verschiedener Unterrichtsansätze verwendet werden kann. 68 69 69

Die Forschungsarbeiten der Abteilung Didaktik der Mathematik um- fassen die Analyse von Bedingungen, Prozessen und Ergebnissen mathematischer Bildung über die gesamte Bildungsbiografie. In den Jah- ren 2023 und 2024 lagen die Schwerpunkte in den Phasen des Primar- und Sekundarbereichs, des Übergangs von der Schule zur Hochschule und der Lehrkräftebildung. Die Abteilung nimmt Voraussetzungen von Lernenden und Bedingungen des Unterrichts- und Lehrangebots in den Blick, um (a) empirisch abgesicherte Modelle der Entwicklung mathe- matischer Kompetenz zu erstellen, (b) Konzepte für Lernumgebungen abzuleiten und diese idealerweise (c) mit prototypischen Lernangebo- ten in der Praxis zu erproben. Im Folgenden werden exemplarisch zwei Forschungsbereiche der Abteilung dargestellt, die diese Schritte durch- laufen haben und im Berichtszeitraum mit dem dritten Schritt der Pra- xisimplementation beendet wurden. Weitere Forschungsergebnisse der Abteilung aus dem Berichtszeitraum werden im Kapitel zur Forschungs- linie Professionelle Kompetenz von Lehrkräften und pädagogischem Personal berichtet. Mit einem Schwerpunkt in der Forschungslinie Fachliches Lernen im vorschulischen und schulischen Bereich untersuchte die Abteilung das Passungsverhältnis zwischen den mathematischen Kompetenzen, 70 71 71

related content knowledge, SRCK) als mathematisches Wissenskonstrukt heraus. Es ist theoretisch und empirisch vom hochschulmathematischen Fachwissen (content knowledge, CK) und vom fachdidaktischen Wissen (pedagogical content knowledge, PCK) abgrenzbar. Die doppelte Dis- kontinuität, das heißt die von Lehramtsstudierenden als unverbunden wahrgenommene Schulmathematik und Hochschulmathematik, konnte so klarer gefasst und empirisch gestützt werden. Um Lehramtsstudie- rende in fachmathematischen Lehrveranstaltungen auf kognitiver und motivationaler Ebene zu unterstützen, entwickelte die Abteilung ein Konzept für ein Lernangebot im ersten Studienjahr und implementierte es an der Universität zu Kiel. Die empirischen Begleitstudien zeigen po- sitive Effekte: Das Lernangebot hilft den Studierenden, die Zusammen- hänge zwischen Schulmathematik und der wissenschaftlichen Mathe- matik zu erkennen und die Relevanz der mathematischen Ausbildung im Lehramtsstudium besser zu verstehen. Ausgehend von grundlagenorientierten Fragestellungen konnten in bei- den Forschungslinien effektive und praxistaugliche Bildungsmaßnahmen für die Hochschule entwickelt werden. Mit Unterstützung des Ministeri- ums für Allgemeine und Berufliche Bildung, Wissenschaft, Forschung und Kultur konnten sie in beiden Fällen an schleswig-holsteinischen Hoch- schulen nachhaltig implementiert werden. Weber, B.-J., Breuer, J. & Lindmeier, A. (2023). How do school-related mathe- matical problems become relevant for prospective teachers in mathematics courses at university? A qualitative interview study. Research in Mathematics Education. Advance online publication. https://doi.org/ 10.1080/14794802.2023.2 243261 Weber, B.-J., Heinze, A. & Lindmeier, A. (2024). Welchen Effekt haben Lehramtsaufgaben auf die Wahrnehmung von Studie- renden zur doppelten Diskontinuität? Journal für Mathematik-Didaktik, 45, Artikel 5. https://doi. org/10.1007/s13138-023- 00226-0 Über die Forschungslinie Methodenforschung und Maschinelles Lernen sind Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Abteilung zudem in größeren nationalen Forschungsverbünden tätig, beispielsweise für das Nationale Bildungspanel (NEPS). Hier entwickeln sie seit mehr als 15 Jahren Tests, bereiten Daten auf und dokumentieren Kompetenzwerte für die Domä- ne Mathematik. Auch am nationalen Bildungsmonitoring wirkt die Ab- teilung mit, so beispielsweise bei der Berichterstattung für die Studien Trends in International Mathematics and Science Study (TIMSS) 2023 und Programme for International Student Assessment (PISA) 2022 zum Stand der mathematischen Kompetenzen von Schülerinnen und Schü- lern zum Ende der Grundschulzeit beziehungsweise der Pflichtschulzeit. 72 73 73

Wie lassen sich Menschen für Physik begeistern? Und wie kann Forschung dazu beitragen, Bildungs- und Professionalisierungs- angebote so zu optimieren, dass sie physikalische beziehungsweise na- turwissenschaftliche Kompetenzen systematisch aufbauen und fördern? Antworten auf diese Fragen geben die Arbeiten der Abteilung Didak- tik der Physik, die sich über die Forschungslinien Fachliches Lernen im vorschulischen und schulischen Bereich, Professionelle Kompetenz von Lehrkräften und pädagogischem Personal sowie Wissenschaftskommu- nikation und extracurriculares Lernen erstrecken. In der Forschungslinie Fachliches Lernen im vorschulischen und schuli- schen Bereich beschäftigen sich die Arbeiten mit der Entwicklung phy- sikalischer Kompetenz in der Schule und darüber hinaus. Insbesonde- re sollen Erkenntnisse dazu erlangt werden, wie im Physikunterricht grundlegende Kompetenzen so aufgebaut werden können, dass Lernen- de – im weiteren Unterricht, aber auch außerhalb der Schule – darauf aufbauen und sich beispielsweise neue Inhalte selbstständig erschließen können. Grundlage für physikalische Kompetenz ist ein Verständnis der zentralen Konzepte der Physik, zum Beispiel des Energiekonzepts. Die Abteilung erarbeitet neue Ansätze, die Schülerinnen und Schüler da- bei unterstützen, ihr Verständnis von Energie systematisch zu entwi- ckeln. Bei einem dieser Ansätze wird potenzielle Energie beispielswei- se als Energie eingeführt, die in Feldern gespeichert ist. Schülerinnen Fiedler, K., Kubsch, M., Neumann, K. & Nordine, J. (2023). Fields in middle school energy instruction to support continued learning of energy. Physical Review Physics Education Research, 19(1), Article 010122. https://doi.org/ 10.1103/PhysRevPhys- EducRes.19.010122 74 75 75

Schulische Bildung allein reicht nicht aus, um junge Menschen auf den Umgang mit gesellschaftlichen Herausforderungen wie Energiewende und Klimawandel vorzubereiten. Als zukunftsweisend gilt ein co-cur- ricularer Ansatz, bei welchem verschiedene, auch außerschulische Bil- dungsorte ihre jeweiligen Stärken ausschöpfen und sich so gegenseitig ergänzen können. Insbesondere auf außerschulische Bildungsangebote fokussiert die Abteilung in der Forschungslinie Wissenschaftskommuni- kation und extracurriculares Lernen. Die PhysikOlympiade beispielswei- se bietet talentierten und interessierten Schülerinnen und Schülern eine Möglichkeit, sich kompetitiv mit physikalischen Inhalten zu beschäfti- gen. Tatsächlich scheint der Wettbewerb aber nicht für alle gleicherma- ßen zugänglich und förderlich zu sein. Eine unserer Studien zeigte, dass es im Rahmen des Wettbewerbs nicht gelingt, Schülerinnen und Schüler so zu fördern, dass sie erfolgreich sind, wenn sie zwar hoch motiviert sind, ihre Fähigkeiten beim Eintritt in den Wettbewerb aber nicht aus- reichen. Der Wettbewerb wird so zwar seinem Anspruch gerecht, be- sonders leistungsstarke Schülerinnen und Schüler zu fördern (Spitzen- förderung), erreicht aber etwas leistungsschwächere Schülerinnen und Schüler nicht in gleicher Weise (Breitenförderung). In einer weiteren Studie wurde daher untersucht, wie insbesondere leistungsschwächere Teilnehmende durch den Wettbewerb besser gefördert werden können. Den Teilnehmenden der PhysikOlympiade könnte so zukünftig indivi- duellere Unterstützung angeboten werden. In den vergangenen Jahren sind auch Museen als Orte für co-curricu- lare Bildung in den Blick gerückt. Während der naturwissenschaftliche Schulunterricht auf den Aufbau von Wissen über die zentralen physi- kalischen Konzepte fokussiert, bieten kritische, handlungsorientierte Ausstellungsformate den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, Informationen aus verschiedenen Perspektiven abzuwägen und kontro- verse Themen zu hinterfragen. Dieser Abwägungsprozess ist die Voraus- setzung dafür, individuelle und gesellschaftliche Entscheidungen infor- miert fällen oder nachvollziehen zu können. Ein Promotionsvorhaben untersuchte genau dieses Zusammenspiel zwischen den Kompetenzen, die im Physikunterricht und in einer handlungsorientierten Ausstellung zur Energiewende erworben wurden. Es zeigte, dass das Wissen der Schülerinnen und Schüler über das Energiekonzept bedeutsam dafür ist, ob sie nach dem Ausstellungsbesuch die verschiedenen Energieträger differenzierter bewerten können als vorher und ob sie in ihrer Absicht, sich energiesparend und klimafreundlich zu verhalten, gestärkt waren. Wie stark sich die Jugendlichen für das Thema Energiewende interes- sierten, hatte keinen Einfluss darauf, ob sie vom Ausstellungsbesuch profitierten. Tschisgale, P. L., Steegh, A., Petersen, S., Kubsch, M., Wulff, P. & Neumann, K. (2024). Are science com- petitions meeting their intentions? A case study on affective and cognitive predictors of success in the Physics Olympiad. Disciplinary and Interdisci- plinary Science Education Research, 6, Article 10. https://doi.org/10.1186/ s43031-024-00102-y Kellberg, S., Keller, M., Nordine, J., Moser, S. & Lewalter, D. (2024). Energy literacy for all? Exploring whether prior interest and energy knowledge mediate energy literacy development in a modern socio-scientific museum exhibition. Inter- national Journal of Science Education, Part B. Advance online publication. https:// doi.org/10.1080/21548455. 2024.2344129 76 77 77

Die Abteilung Erziehungswissenschaft und Pädagogische Psychologie trägt mit ihren Arbeiten zu allen Forschungslinien des IPN bei. In der Forschungslinie Fachliches Lernen im vorschulischen und schuli- schen Bereich untersuchen wir mit längsschnittlichen Feldstudien und experimentellen Arbeiten, wie sich fachspezifische Kompetenzen und motivationale Orientierungen von Kindern und Jugendlichen entwi- ckeln. Im Fokus stehen dabei neben den mathematischen, informati- schen und naturwissenschaftlichen Fächern auch die Bildungssprache Deutsch und die Fremdsprache Englisch. Im vorschulischen Bereich leitet die Abteilung die große quasi-experimentelle Interventionsstudie BRISE (Bremer Initiative zur Stärkung frühkindlicher Entwicklung), in der durch ein wissenschaftliches Konsortium untersucht wird, wie sich Unterstützungsangebote für Familien auf die Entwicklung sozioökono- misch und kulturell benachteiligter Kinder auswirken. Ebenfalls mit einer quasi-experimentellen Studie untersucht die Ab- teilung die Effekte von Lernsoftware und tutorieller Unterstützung auf die Mathematikleistungen von leistungsschwachen Schülerinnen und Schülern zu Beginn der Sekundarstufe I. Eine weitere Studie fokussiert darauf, wie sich Unterstützungsmaßnahmen für Schulleitungen in soge- nannten Brennpunktschulen auf die Schul- und Unterrichtsentwicklung auswirken. 78 79 79

Weitere Schwerpunkte der Abteilung liegen in der Forschungslinie Me- thodenforschung und Maschinelles Lernen, vor allem in der Testent- wicklung für das NEPS sowie in den Auswertungen und Dokumenta- tionen der großen internationalen Bildungsvergleichsstudien PISA (Programme for International Student Assessment) und TIMSS (Trends in Mathematics and Science Study). Mit überwiegend experimentellen Arbeiten evaluiert die Abteilung, welcher Gewinn von automatisiertem Feedback durch digitale Medien in Lernsituationen zu erwarten ist. Aktuell untersuchen die Forschen- den vor allem, welches Potenzial Künstliche Intelligenz für die Bewer- tung komplexer Schreibaufgaben und die leistungsadaptive Förderung von Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe I hat. Jansen, T., Meyer, J., Fleckenstein, J., Horbach, A., Keller, S. & Möller, J. (2024). Individualizing goal-setting interventions using automated writing evaluation to support sec- ondary school students’ text revisions. Learning and In- struction, 89, Article 101874. https://doi.org/10.1016/j. learninstruc.2023.101847 80 81 81

Was ist dafür nötig, dass Ergebnisse der fachdidaktischen Lehr-Lern- forschung Eingang in die Unterrichtspraxis finden? Und wie ge- staltet man den Austausch zwischen Praxis und Wissenschaft so, dass die Lehr-Lern- und Professionalisierungsforschung wichtige Herausfor- derungen des Unterrichts gezielt aufgreifen kann? Ein breiter und nachhaltiger Transfer fachdidaktischer Erkenntnisse ge- lingt am besten, wenn Fachdidaktik und Bildungspraxis die Innovati- onen und Implementationsprogramme co-konstruktiv entwickeln, also kooperativ, bedarfsgerecht und auf Augenhöhe. Eine solche Zusammen- arbeit braucht Forschungs-Praxis-Partnerschaften auf mehreren Ebenen: mit Fachlehrkräften (Stakeholdern auf Unterrichtsebene), mit Fortbil- denden und Fortbildungsprogramm-Verantwortlichen (Stakeholdern auf Fortbildungs- und Qualifizierungsebene) sowie mit Zuständigen in Landesinstituten und Ministerien (Stakeholdern auf Ebene der Bildungs- administration und -steuerung). 82 83 83

Die Wirksamkeit von Fortbildungsansätzen für die Weiterentwicklung fachdidaktischer Expertise untersuchen wir auch quantitativ. Zum Bei- spiel zeigte eine Wirksamkeitsstudie, wie sich die Diagnose- und För- derpraktiken von 95 Lehrkräften veränderten, die an einer einjährigen Fortbildung des DZLM-Programms Mathe sicher können zur Förderung von Basiskompetenzen teilnahmen (Prä-Post-Design). Es stellte sich he- raus, dass sich ihre Zielsetzungs- und Diagnosepraktiken signifikant wei- terentwickelt hatten. In ihren Förderpraktiken blieben einige Lehrkräfte allerdings weiterhin auf kurzfristige Aufgabenbewältigung orientiert. Bei der Überarbeitung der Fortbildung baute die Projektgruppe deshalb gezielt Anlässe ein, durch die Lehrkräfte diese kurzfristige Orientierung überwinden können. Damit sich Lehrkräfte konsequenter am Lern- fortschritt ihrer Schülerinnen und Schüler orientieren, entwickelte die Gruppe Erklärvideos und didaktische Hintergrundfilme. Prediger, S., Dröse, J., Stahnke, R. & Ademmer, C. (2023). Teacher exper- tise for fostering at-risk students’ understanding of basic concepts. Journal of Mathematics Teacher Education, 26(4), 481–508. https://doi.org/10.1007/ s10857-022-09538-3 Auch digitale Designelemente können die Inhaltsqualität von Fortbil- dungen erhöhen. Dies zeigte eine randomisierte kontrollierte Studie mit 102 Lehrkräften zur Förderung des Verständnisaufbaus bei leistungs- schwachen Kindern. Bei Lehrkräften mit geringen fachdidaktischen Vor- kenntnissen hatte ein Video, in dem typische Erfahrungen von Lehr- kräften zu produktiven Praktiken zum Verständnisaufbau fachdidaktisch systematisiert wurden, signifikant höhere Lerneffekte als der Austausch mit anderen Lehrkräften über diese Erfahrungen. Auch hier zeigte sich, wie stark sich die Inhaltsqualität von Fortbildungen durch explizitere Thematisierung und Systematisierung der wichtigsten Aspekte verbes- sern lässt. Wischgoll, A. & Prediger, S. (2024). Studying efficacy of particular design elements in online teacher profes- sional development courses: The case of systematizing videos for enhancing teach- ers’ pedagogical content knowledge. Zeitschrift für Erziehungswissenschaft, 27(3), 715–737. https://doi. org/10.1007/s11618-024- 01245-4 84 85 85

Die Abteilung Pädagogisch-Psychologische Methoden und Daten- wissenschaften arbeitet schwerpunktmäßig in der Forschungslinie Methodenforschung und Maschinelles Lernen. Sie forscht zu Themen der empirischen Bildungsforschung, der angewandten Statistik und der pädagogischen Psychologie. Die Abteilung befasst sich mit statistischen und methodischen Heraus- forderungen der pädagogisch-psychologischen und fachdidaktischen Forschung. Beispielsweise sind die Datensätze nationaler und interna- tionaler Bildungsvergleichsstudien meistens in mehreren Ebenen struk- turiert: Schülerinnen und Schüler (Ebene 1) sind innerhalb von Klassen (Ebene 2) und Klassen wiederum innerhalb von Schulen (Ebene 3) „ge- schachtelt“. Diese komplexe Struktur führt zu Abhängigkeiten in den Daten, die es in Analysen zu berücksichtigen gilt. Statistische Auswer- tungen werden auch durch fehlende Angaben erschwert, sogenannte Missing Data, die zum Beispiel entstehen, wenn Studienteilnehmende nicht alle Fragen beantworten. Die zunehmende Digitalisierung von Lernprozessen führt zu methodi- schen Herausforderungen, aber stellt auch eine Chance dar. Wenn Schü- lerinnen und Schüler beispielsweise digitale Lernumwelten bearbeiten, entstehen für jede Person sehr viele Prozess- und Produktdaten. Bei gro- ßen Stichproben werden so immense Datensätze gesammelt (Big Data). 86 87 87

Drittens entwickelt die Abteilung Ansätze zum Umgang mit Missing Data. Dabei ist das Verfahren der multiplen Imputation von besonde- rem Interesse: Hierbei wird jeder fehlende Wert in einem Datensatz mithilfe eines Imputationsmodells unter Berücksichtigung der dabei entstehenden Unsicherheit durch mehrere Schätzwerte ersetzt. Viertens nimmt die Abteilung ein grundlegendes Interesse der evidenzba- sierten Bildungsforschung auf: Sie strebt belastbare Aussagen zu kausalen Zusammenhängen an, die Schlussfolgerungen über die Wirksamkeit ge- zielter Veränderungen im Bildungssystem ermöglichen. Die Abteilung un- tersucht deshalb statistische Methoden wie Propensity-Score-Verfahren, die auch bei fehlender Randomisierung eine zumindest vorsichtige kausale Interpretation von Zusammenhangsmustern ermöglichen sollen. Das Ziel der Abteilung ist es, Empfehlungen für die Forschungspraxis zu generieren, die sich auf eigene Ergebnisse stützen. Insbesondere die empirischen Arbeiten von anderen Abteilungen des IPN können direkt profitieren. Deshalb entwickelt die Abteilung auch Software, die eine anwendungsfreundliche Nutzung der Verfahren ermöglicht, zum Bei- spiel Pakete in R, einer freien Programmiersprache für statistische Be- rechnungen und Grafiken. Außerdem bietet sie Fortbildungen für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller IPN-Abteilungen an. Grund, S., Lüdtke, O. & Robitzsch, A. (2023). Pooling methods for likelihood ratio tests in multiply imputed data. Psychological Meth- ods, 28(5), 1207–1221. https://doi.org/10.1037/ met0000556 Robitzsch, A. & Lüdtke, O. (2023). Comparing different trend estimation approach- es in country means and standard deviations in inter- national large-scale assess- ment studies. Large-scale Assessments in Education, 11, Article 26. https://doi. org/10.1186/s40536-023- 00176-6 88 89 89