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Das Problemlösen stellt einen zentralen Aspekt für den Erwerb physikalischer Kompetenz dar (Brandenburger, 2016). Da reines Faktenwissen jedoch nur ein notwendiges und kein hinreichendes Kriterium für erfolgreiches Problemlösen beschreibt (Friege, 2001), kann dessen Vermittlung nicht als ausreichend im Rahmen der Hochschulbildung betrachtet werden. Folglich muss eine explizite Förderung der Problemlösekompetenz gefordert werden. Zur Einschätzung des Bedarfs einer Umstrukturierung der gegenwärtigen Hochschulpraxis werden zunächst die an der Hochschule Ruhr West verwendeten Übungen anhand eines Kompetenzmodells hinsichtlich verschiedener Aufgabenmerkmale eingeordnet. Aufgrund dessen soll eine Anpassung im Sinne dieser Zielvorstellung vorgenommen werden. Dazu werden die Übungsaufgaben der Studierenden anhand des Problemlöseschemas nach Friege (2001) strukturiert. Weitergehend wird eine Auswahl klassischer physikalischer Lösungsschemata eingeübt, um die Studierenden zu befähigen, geeignete Lösungsschemata auszuwählen und die notwendigen Schritte des Problemlösens eigenständig zu bewältigen.
Nowadays the expectations and requirements for engineers keep changing and involve besides technical, interdisciplinary and project management competencies, in particular problem solving skills (Lehmann et al., 2008). It has been shown that implicit teaching of problem solving strategies fails. The results are missing approaches, no linkage to the existing knowledge and the failure of a solution. (Woitkowski, 2018) However, there is a very well evaluated state of research how novices and experts solve physics problems. Experts use problem schemes, which include heuristics and exemplary problems that ease the process of generating proper solutions and make the process much less error-prone. (Friege, 2001) Therefore, the aim of this study is to develop a strategy training, which contains a strategy exercise and adjusted learning material to promote the problem solving competence of first year engineering students. To implement such a strategy training in the regular physics exercise, a manual concerning different task characteristics has been developed. The resulting categories have been used to create a compilation of tasks, which are suitable for analysing the fitting heuristics. To measure the effect of the new learning material and the strategy training a 2x2-design was chosen to examine the influence of either one of those variables. The pre-post-evaluation will focus on questionnaires considering the stages of the problem solving process.
Das Problem der verbleibend hohen Studienabbruchquoten, besonders in den Natur- und Ingenieurswissenschaften (Heublein, 2017), stellt die Fachdidaktiken, besonders während des Studieneinstiegs, nach wie vor, vor eine Herausforderung. Eine Möglichkeit zur Unterstützung des Lernprozesses zu Studienbeginn stellen dabei die Erkenntnisse der Experten-Novizen- (z.B. Friege, 2001) und Problemlöseforschung (z.B. Brandenburger 2016; Woitkowski 2018) dar. Dabei werden sowohl Kenntnisse zur Tiefenstruktur von Aufgaben, als auch von Problemschemata und Problemlösestrategien als Gelingensbedingungen für erfolgreiches Problemlösen in der Physik identifiziert (Woitkowski, 2020). In der vorliegenden Studie wurde unter Berücksichtigung dieser Faktoren ein entsprechendes Übungskonzept erstellt. Um die explizite Vermittlung dieser kognitiven Strukturen zu evaluieren, müssen sie zunächst ausreichend operationalisiert werden. Dazu werden sowohl Aspekte der Konzeption der Intervention, als auch der Pilotierung eines entsprechenden Testinstruments zum deklarativen Wissen über Problemschemata vorgestellt.
Der Vergleich von Expert:innen und Noviz:innen in der Physik zeigt grundlegende Unterschiede der Strategien bei der Bearbeitung von wissenszentrierten Problemen. Dabei fokussieren Expert:innen auf die Tiefenstruktur und nutzen bekannte Problemschemata, während das Vorgehen von Noviz:innen sich durch eine Ablenkung durch Oberflächenmerkmale aufgrund fehlender Beispielprobleme auszeichnet. (Friege, 2001) Da auch im Laufe des Studiums oft noch fehleranfällige Strategien wie das plug-and-chuck Verfahren genutzt werden (Tuminaro & Redish, 2005) und ein Transfer von Lösungsansätzen scheitert (Woitkowski, 2021), wird in der vorliegenden Studie eine explizite Vermittlung von Problemschemata aus dem Bereich der Mechanik verfolgt. Die Hauptstudie wurde im Wintersemester 2021/22 im Rahmen der Physikübung an der Hochschule Ruhr West durchgeführt. Das Konzept umfasste eine Auseinandersetzung mit charakteristischen Aufgabenmerkmalen, Problemtypen und Heuristiken und wurde in einem Kontrollgruppendesign mit einer klassischen Übung verglichen. Der Vortrag umfasst die empirische Evaluation der Studie.
The absence of real-world experiences is a lasting challenge in the field of higher engineering education. Therefore, learning-scenarios, which are highly reliant upon the students’ powers of imagination alone, would not be promising at all. Particularly with regard to the increasing complexity of information-, material- and workflow networks in a digitized industry, future manufacturing engineers need to be trained towards an ability to act and within situated contexts similar to shop floor conditions. Hence, scenarios enabling a sustainable anchorage of theoretical knowledge through the link between thinking and action are a necessity. In response to increased dropout rates and as a result of repealing the compulsory pre-study internship for bachelor candidates in mechanical engineering, first year students receive the opportunity to gain their experiences and get a so-called ‘machining license’. In the spirit of a holistic ‘hands-on engineering’-approach, the students will run through the entire process – from idea to product – and experience various manufacturing processes in a mechanical workshop – the ‘Technikum’: a 500 square meter production facility at the Hochschule Ruhr West. The developed scenario has been derived from a cooperation with the TU Dortmund Universities’ professorship for Engineering Didactics, where the course design was used for teaching woodcraft to adults.
Engineering students often learn by retracing precalculated given solutions of tasks and try to understand this problem-solving way. This reconstruction is not always successful in solving new types of problem via modified tasks (Rossow 2008). Every mechanical exercise follows the same solution methodology (Müller-Slany 2018). Applying this basic problem-solving structure correctly is a Precondition for solution's reflection and is therefore essential for teaching. To improve these competencies a strategy training is implemented in exercise-settings in Technical Mechanics (TM). By solving in separated model steps pre-structured exercises with differences in depth of structure and always visualizing these steps, the awareness and applying of 1 Kristina Lampe Kristina.lampe@hs-ruhrwest.de each step should be increased. This research approach aims to investigate the effects of explicit strategy training on the problem-solving skills of engineering students in TM in an experimental design. Research Questions are: what influence does the strategy training have on the knowledge and recognition of the model? What influence does this training have on correct application of this methodology? What influence does this application have on the correct solution of tasks? As part of a quantitative analysis a self-constructed test for measuring the modeling recognition in Multiple Choice format as well as a competence test to evaluate the application of the problem-solving model were implemented and tested. First results of the research design and the intervention itself are presented.
Anhand des Experten-Novizen-Vergleichs konnten bisher das Verständnis von Tiefenstrukturen und Erlernen von Heuristiken als zentrale Gelingensbedingungen beim Bearbeiten von Physikaufgaben festgestellt werden (Friege, 2001). Eine Vermittlung dieser Aspekte erfolgt in universitären Physikübungen oftmals nur implizit, daher wird ein entsprechendes Strategietraining für die Ingenieursstudierenden der Hochschule Ruhr West entwickelt. Die Auswirkung spezifischen Lernmaterials sowie der Strategieübung auf die Problemlösekompetenz wird im Rahmen eines 2x2 Designs untersucht. Die Konzeption des Lernmaterials beinhaltete die Entwicklung eines Manuals, das die Aufgabenanalyse anhand verschiedener Strukturmerkmale ermöglichte. Darauf aufbauend konnten Aufgaben gezielt adaptiert, sowie Worked-Examples konzipiert werden. Diese Gestaltung des Materials soll eine Verschiebung des Fokus auf die Problemrepräsentation und Erarbeitung eines Lösungsansatzes bewirken, welche die Grundlage des strategischen Problemlösens bilden.
