Einführung in quantitative Methoden der empirischen Unterrichtsforschung
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- Emma Hochberg
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1 Universität Duisburg-Essen Campus Essen - Lehrstuhl für Lehr-Lernpsychologie Einführung in quantitative Methoden der empirischen Unterrichtsforschung Detlev Leutner D. Leutner Methodik 1
2 Überblick Allgemeine Vorgehensweise empirischer Forschung Beispiel: Ein Experiment zum entdeckenden Lernen Grundlegende Konzepte empirischer Forschungsmethodik Struktur wissenschaftlicher Beobachtungen: UV, AV, Studie, Experiment Messtheorie & Skalenniveaus: Nominal-, Ordinal-, Intervallskala Gütekriterien: Objektivität, Reliabilität, Validität Das Experiment: Prüfung von Ursache-Wirkungs-Hypothesen D. Leutner Methodik 2
3 Allgemeine Vorgehensweise Fragestellung/ Problem Deduktion von HYPOTHESEN THEORIE wiss. BEOB- ACHTUNG Generalisierung, Induktion, Veränderung D. Leutner Methodik 3
4 Überblick Allgemeine Vorgehensweise empirischer Forschung Beispiel: Ein Experiment zum entdeckenden Lernen Grundlegende Konzepte empirischer Forschungsmethodik Struktur wissenschaftlicher Beobachtungen: UV, AV, Studie, Experiment Messtheorie & Skalenniveaus: Nominal-, Ordinal-, Intervallskala Gütekriterien: Objektivität, Reliabilität, Validität Das Experiment: Prüfung von Ursache-Wirkungs-Hypothesen D. Leutner Methodik 4
5 Beispiel Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen Nußbaum & Leutner (1986), Zeitschrift für Entwicklungspsychologie und Pädagogische Psychologie, Vol. 18, S D. Leutner Methodik 5
6 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen D. Leutner Methodik 6
7 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen Aufgabenmaterial D. Leutner Methodik 7
8 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen Rasch-Skalierbarkeit von Aufgaben: p=exp(f-s)/(1+exp(f-s)) 1 0,9 94 % Lösungswahrscheinlichkeit 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 78 % 62 % 50 % 36 % Aufgabe 1 Aufgabe 2 0,1 11 % 0 σ 1* σ 2 σ 1 σ 2* Schüler 1 (θ 1 ) Schüler 2 (θ 2 ) Aufgabenschwierigkeit (σ) / Schülerkompetenz (θ) D. Leutner Methodik 8
9 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen Fragestellung: Wie schwierig sollten Aufgaben beim entdeckenden Lernen sein? Theorie: Heckhausen (1968): Prinzip der Passung» Schwierigkeit Lernmotivation Lernerfolg; Mittelschwierige Aufgaben mit p=.50 Eysenck (1977): Prinzip der Übung» Rehearsal: KZG LZG; Viele einfache Aufgaben, leichtes Entdecken bei p=.90 Roth (1966):»...vom Schwierigen, das reizt, zum leichten, das man überlegen meistert... Comenius: Vom Leichten zum Schweren Methode: LM LE LE SW LM Vpn: 156 männl. Studenten der RWTH Design: AV=Differenz NT-VT (Rasch-Parameter), UV = Schwierigkeit SW D. Leutner Methodik 9
10 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen D. Leutner Methodik 10
11 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen Überprüfung der experimentellen Variation D. Leutner Methodik 11
12 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen Überprüfung der experimentellen Variation D. Leutner Methodik 12
13 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen Ergebnisse D. Leutner Methodik 13
14 Lehr-Lernexperiment zum Entdeckenden Lernen Diskussion: Interne Validität:» Zusammensetzung der Stichproben?» Datenerhebungszeitpunkt?» Effekt der Rückmeldung? Externe Validität:» Generalisierung auf Material?» Generalisierung auf Population? Theoriebezug:» Heckhausens Prinzip der Passung widerlegt? Evtl. schwacher Einfluß der Lernmotivation? Vgl. Leistungsverlauf in Lernphase? Praktische Relevanz:» Beim entdeckenden Lernen leichte Aufgaben verwenden.» Altes didaktisches Prinzip von leicht nach schwierig bestätigt. D. Leutner Methodik 14
15 Überblick Allgemeine Vorgehensweise empirischer Forschung Beispiel: Ein Experiment zum entdeckenden Lernen Grundlegende Konzepte empirischer Forschungsmethodik Struktur wissenschaftlicher Beobachtungen: UV, AV, Studie, Experiment Messtheorie & Skalenniveaus: Nominal-, Ordinal-, Intervallskala Gütekriterien: Objektivität, Reliabilität, Validität Das Experiment: Prüfung von Ursache-Wirkungs-Hypothesen D. Leutner Methodik 15
16 Grundlegende Konzepte Fragestellung/ Problem THEORIE Deduktion von HYPOTHESEN GESETZ Replikation wiss. BEOB- ACHTUNG Operationale Definition Störungen (Interne Validität) Objektivät, Reliabilität, Validität Generalisierung, Induktion, Veränderung Falsifikationsprinzip Störungen (Externe Validität) D. Leutner Methodik 16
17 Überblick Allgemeine Vorgehensweise empirischer Forschung Beispiel: Ein Experiment zum entdeckenden Lernen Grundlegende Konzepte empirischer Forschungsmethodik Struktur wissenschaftlicher Beobachtungen: UV, AV, Studie, Experiment Messtheorie & Skalenniveaus: Nominal-, Ordinal-, Intervallskala Gütekriterien: Objektivität, Reliabilität, Validität Das Experiment: Prüfung von Ursache-Wirkungs-Hypothesen D. Leutner Methodik 17
18 Struktur wissenschaftlicher Beobachtungen Grundstruktur einer jeden wissenschaftlichen Beobachtung: Variablentypen: UV: Wenn-Teil einer Hypothese» Diejenigen Variablen, deren Werte durch den Forscher variiert werden (hergestellt, ausgewählt, beobachtet) AV: Dann-Teil einer Hypothese» Diejenigen Variablen, deren Variation durch den Forscher ausschließlich beobachtet wird. Klassifikation wiss. Beobachtungen: P x S R (UVs) (AVs) Studie: UV beobachtet Quasi-Experiment: UV ausgewählt Experiment: UV hergestellt (bei randomisierter Zuordnung der Beobachtungseinheiten) D. Leutner Methodik 18
19 Überblick Allgemeine Vorgehensweise empirischer Forschung Beispiel: Ein Experiment zum entdeckenden Lernen Grundlegende Konzepte empirischer Forschungsmethodik Struktur wissenschaftlicher Beobachtungen: UV, AV, Studie, Experiment Messtheorie & Skalenniveaus: Nominal-, Ordinal-, Intervallskala Gütekriterien: Objektivität, Reliabilität, Validität Das Experiment: Prüfung von Ursache-Wirkungs-Hypothesen D. Leutner Methodik 19
20 Messtheorie: Skalen & Skalenniveaus Messen Homomorphe Abbildung eines empirischen Relativs auf ein numerisches Relativ Skalen & Skalenniveaus Nominalskala» Gleichheits-/ Ungleichheitsrelation» NR2=f(NR1); f=eindeutig Ordinalskala» Ordnungsrelation: NR2=f(NR1); f= Empirisches Relativ ER Numerisches Relativ NR 1 Intervallskala (Ursprung & Einheit beliebig)» Verhältnisse von Unterschieden von Differenzen; NR2=f(NR1); f=pos. linear Verhältnisskala (Einheit beliebig)» Verhältnisse von Objekten von Zahlen; NR2=f(NR1); f=ähnlichkeitsfunktion A E D. Leutner Methodik 20 B B D C [0,o] [N, + ]
21 Empirische Prüfung auf Ordinalskalierbarkeit Bsp.: Einstellungen gegenüber Autos Item A: Opel Astra C: Porsche B: VW-Bus D: Fiat Panda Paarvergleiche Tripelanalyse AB ABC AC ABD AD ACD BC BCD BD CD durch Prüfung des TRANSITIVITÄTSAXIOMS für PAARVERGLEICHE Wenn a >b und b >c, dann a >c zu prüfen für alle Tripel (a, b, c) n* n 1 1* 2 Paare n* n 1 n 2 1* 2* 3 Tripel D. Leutner Methodik 21
22 Empirische Prüfung auf Intervallskalierbarkeit [vgl. ORTH, B.: Einführung in die Theorie des Messens. Stuttgart 1974] A C B D B D A C A B C durch Prüfung des BISYMMETRIE-AXIOMS bzgl. der Binäroperation MITTENBILDUNG D A B C D A B C D Bisymmetrie ist gegeben, wenn A B C D = A C B D verwendet: bisher vor allem in Psychophysik Skalierung von Lautstärke, Helligkeit... D. Leutner Methodik 22
23 Überblick Allgemeine Vorgehensweise empirischer Forschung Beispiel: Ein Experiment zum entdeckenden Lernen Grundlegende Konzepte empirischer Forschungsmethodik Struktur wissenschaftlicher Beobachtungen: UV, AV, Studie, Experiment Messtheorie & Skalenniveaus: Nominal-, Ordinal-, Intervallskala Gütekriterien: Objektivität, Reliabilität, Validität Das Experiment: Prüfung von Ursache-Wirkungs-Hypothesen D. Leutner Methodik 23
24 Mess-Gütekriterien: Objektivität beobachtet: Beurteiler B % Übereinstimmung: % Ü 060, (P 100 o ) - observed per Zufall erwartet: (P e ) - expected 0,60 < 0,68 Beurteiler B [16] % Ü 068, 100 Maß der überzufälligen Übereinstimmung: KAPPA (Cohen, 1960): P o =1 P e =0, Po Pe 06, 068, 025, 1 Pe 1 0, 68 Po Pe 1 0, Pe 1 0, 5 D. Leutner Methodik
25 Mess-Gütekriterien: Reliabilität & Validität (Runkel & McGrath (1972, S. 162) Traditionelle Bezeichnung RELIA- BILITÄT VALI- DITÄT Verwendete Technik» Übereinstimmung derselben (wiederholten) Messungen desselben Objektes zur selben Zeit, unabhängig Testwiederholung (Test-Retest) parallele Tests Testhalbierung» interne Konsistenz der Items (Cronbachs alpha) Inhaltsvalidität Kriteriumsvalidität (predictive/concurrent) Konstruktvalidität (convergent/ discriminant)» Übereinstimmung unterschiedlicher Messungen desselben Objektes zur selben Zeit, unabhängig Zugrunde liegende Idee Wiederholbarkeit Homogenität Konvergenz D. Leutner Methodik 25
26 Reliabilität: Effekt der Testverlängerung (Spearman-Brown-Formel) * 1 k P 1 k 1 rho k P 1 P 1 = Reliabilität bei Testlänge n k = Verlängerungsfaktor z. B.: n 1 = 10 Items / P 1 = 0,6 k = 1 : P k = 1 * 0,60 / (1 + 0 * 0,6) = 0,60 k = 2 : P k = 2 * 0,60 / (1 + 1 * 0,6) = 0,75 k = 5 : P k = 5 * 0,60 / (1 + 4 * 0,6) = 0,88 zufällige Meßfehler gleichen sich aus. Generalisierbarkeitstheorie (CRONBACH et al., 1972): Identifikation von relevanten Komponenten des Meßfehlers anhand eines faktoriellen Versuchplans. D. Leutner Methodik 26
27 Konstruktvalidierung D. Leutner Methodik 27
28 Konstruktvalidierung Leutner, D. & Plass, J.L. (1998). Measuring learning styles with questionnaires versus direct observation of preferential choice behavior: Development of the Visualizer/Verbalizer Behavior Observation Scale (VV-BOS). Computers in Human Behavior, 14, D. Leutner Methodik 28
29 Überblick Allgemeine Vorgehensweise empirischer Forschung Beispiel: Ein Experiment zum entdeckenden Lernen Grundlegende Konzepte empirischer Forschungsmethodik Struktur wissenschaftlicher Beobachtungen: UV, AV, Studie, Experiment Messtheorie & Skalenniveaus: Nominal-, Ordinal-, Intervallskala Gütekriterien: Objektivität, Reliabilität, Validität Das Experiment: Prüfung von Ursache-Wirkungs-Hypothesen D. Leutner Methodik 29
30 Das Experiment Zweck: Prüfung von Ursache-Wirkungs-Hypothesen Definition (vgl. Klauer, 1973): Wissenschaftliche Beobachtung (Replizierbarkeit!) mit» gezielt hergestellter Variation mindestens einer UV und» weitestgehender Ausschaltung des Einflusses von Störfaktoren (im einfachsten Fall durch Randomisieren) Kontrolle von Störvariablen: Gewährleistung der» Internen Validität (eindeutige Interpretierbarkeit der Ergebnisse im Sinne der Variation der UV)» Externen Validität (Generalisierbarkeit der Ergebnisse auf andere Personen und andere Situationen) Reduktion von Fehlervarianz (Restvarianz der AV) D. Leutner Methodik 30
31 Reduktion von Fehlervarianz Varianzzerlegung einer AV ohne Kontrollvariablen GESAMTvarianz der AV REST-Varianz der AV durch UV gebundene Varianz Varianz der UV Effekt = Varianz zwischen / Varianz innerhalb exp. Gruppen Varianzzerlegung einer AV mit Kontrollvariablen REST-Varianz AV Kontrollvariable UV D. Leutner Methodik 31
32 Techniken der Kontrolle von Störvariablen Randomisieren: Zufällige Zuordnung von Beobachtungseinheiten zu exp. Bedingungen Einführung von Kontrollvariablen (experimentelle Kontrolle): Konstanter Wert:» Eliminieren des Einflusses (Wert der Variable=0; Bsp. Straßenlärm)» Konstanthalten des Einflusses (Wert der Variablen identisch; Bsp. Uhrzeit) Verschiedene Werte:» Kontrollfaktor, (Aus-) Balancieren (Bsp. Geschlecht, Alter, Schultyp, etc.)» Parallelisieren (Matching): Bilden von im Hinblick auf möglichst viele Variablen weitgehend identischen Paaren von Beobachtungseinheiten Prinzipiell anwendbar auf Personen und auf Situationen!!! D. Leutner Methodik 32
33 Vor-experimentelle Forschungs-Designs (nach Campbell & Stanley, 1963) No. 1: The one-shot design X O No. 2: One-group pretestposttest design O 1 X O 2 No. 3: Static group comparison X O 1 O 2 Vulnerable to history (Ereignis zw. XO), maturation (Veränderung der Vpn zw. XO: Reifung), instrument decay (Probleme des Messinstrumentes - z. B. Rel./ Val.), selection Vulnerable to history, maturation, testing (Vortestungseffekt), instrument decay, regession (statist. Regression zur Mitte), mortality (Schwund an Vpn) Vulnerable to selection, regression, interaction of mortality with X. D. Leutner Methodik 33
34 Wahre experimentelle Forschungs-Designs (nach Campbell & Stanley, 1963) No. 4: Pretest-posttest control group design R O 1 X O 2 O 3 O 4 No. 5: Posttest only control group design R X O 2 O 4 No. 6: Solomon 4-group design R O 1 X O 2 O 3 O 4 X O 5 Vulnerable to interaction of testing and X. Provides comparison for preventing history (Ereignis zw. X und O), maturation (Reifung), testing, or some combination of these from having effects, but it cannot assess these separately. Combines features of designs 4 and 5. Detects and measures effects of history (Ereignis zw. X und O), maturation (Reifung), testing, and interaction of testing with X. O 6 D. Leutner Methodik 34
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