As the use of augmented reality (AR) in educational settings grows, it becomes increasingly important to understand what constitutes effective design and use of AR in classrooms [1-3]. Throughout 2022 we worked with a committee of chemistry teachers from the Zentrum für Schulqualität und Lehrerbildung Baden-Württemberg (ZSL) to develop augmented reality learning environments (ARLEs) for the high school chemistry curriculum in Baden-Württemberg. Both ARLEs were designed to explicitly connect the macroscopic, submicroscopic, and symbolic levels of understanding these reactions [4]. We will show how ARLEs can be used to re-experience reaction mechanisms in chemistry classes using our materials for the teaching of electrophilic aromatic substitution of bromine onto benzene (EAS) and radical substitution of bromine onto heptane (RS) as examples. Two ARLEs were tested in the state of Baden-Württemberg in Germany in 2022. The EAS ARLE was tested in five different grade 12 chemistry classes [5] while the RS ARLE was tested in six different grade 10 chemistry classes. Results for both ARLEs show that the students learned the material well, did not experience high cognitive load, and accepted the ARLE technology. In both cases, the students’ scores on a knowledge posttest were significantly better than their scores on the corresponding pretest, and their responses to student surveys after the experience indicate a positive attitude toward the use of these ARLEs to teach the EAS and RS mechanisms [6, 7].

We conducted a study of the use of augmented reality to introduce the concept of chirality in 11th grade chemistry courses in Baden-Württemberg. Results show that, of the 52 students who participated in the study, the vast majority experienced low extraneous cognitive load, found the AR models easy to use, and they exhibited acceptance of the use of AR to learn about Fischer Projections. Furthermore, these students were overwhelmingly actively engaged with the AR models during the lesson.

References

[1] Fombona-Pascual, A. and V. Fombona, R., Augmented Reality, a Review of a Way to Represent and Manipulate 3D Chemical Structures. J. Chem. Inf. Model., 2022. 62(8): p. 1863-1872.

[2] Cheng, K.H. and C.C. Tsai, Affordances of augmented reality in science learning: Suggestions for future research. Journal of Science Education and Technology, 2013. 22(4): p. 449–462.

[3] Bacca, J., et al., Augmented Reality trends in education: A systematic review of research and applications. Journal of Educational Technology & Society, 2014. 17: p. 133–149.

[4] Johnstone, A.H., Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of Computer Assisted Learning. 7.

[5] Bullock, M., et al., Dreidimensional, dynamisch und interaktiv. Unterricht Chemie, 2023. 2023(195): p. 22-25.

[6] Bullock, M., J. Huwer, and N. Graulich, Using an Augmented Reality Learning Environment to Teach the Mechanism of an Electrophilic Aromatic Substitution, in In peer review. 2023: submitted to the Journal of Chemical Education.

[7] Bullock, M., J. Huwer, and N. Graulich, Can Augmented Reality be used to teach the mechanism of radical substitution to high school students?, in In peer review. 2023: submitted to Education Sciences.

Für eine zielgerichtete und zukunftsfähige Weiterentwicklung der Lehrpersonenbildung in der Schweiz werden sowohl ein geeignetes Kompetenzmodell als auch Testinstrumente benötigt, mit denen sich der Kompetenzstand sowohl von angehenden als auch bereits im Beruf stehenden Lehrpersonen prüfen, Kompetenzerwerb messen und Massnahmen zur Förderung von Kompetenzen evaluieren lassen. Zur Definition und Strukturierung der von (angehenden) Lehrpersonen mit naturwissenschaftlichen Fächern benötigten digitalisierungsbezogenen Kompetenzen steht mit dem Orientierungsrahmen DiKoLAN (Digitale Kompetenzen für das Lehramt in den Naturwissenschaften; Becker et al., 2020; Kotzebue et al., 2021; Thyssen et al., 2020) ein vielfach in der deutschen Lehrpersonenbildung eingesetztes Instrument zur Verfügung. Jedoch wurde DiKoLAN in seiner Entwicklung stark von den Spezifika der Lehrpersonenbildung in Deutschland geprägt (vgl. Thoms et al., 2022). Hier schliesst das Projekt «Digitale Kompetenzen für den Lehrberuf in den Naturwissenschaften in der Schweiz (DiKoLAN-CH)» an. Basierend auf dem etablierten DiKoLAN wird ein für die Schweizer Lehrpersonenbildung passender Orientierungsrahmen professioneller Handlungskompetenz von (angehenden) Lehrpersonen entwickelt (DiKoLAN-CH). Darauf aufbauend werden mehrere Testinstrumente zur Erfassung verschiedener Facetten digitalisierungsbezogener Handlungskompetenz entwickelt. Abschliessend wird in einer Querschnittserhebung der Kompetenzstand angehender Lehrpersonen in der Schweiz erfasst. Der Orientierungsrahmen DiKoLAN-CH soll eine forschungsbasierte Grundlage für die Weiterentwicklung der fachdidaktischen Lehrpersonenbildung in den Naturwissenschaften in der digitalen Ära in der Schweiz bieten. DiKoLAN-CH soll helfen, die digitale Transformation in der naturwissenschaftlichen Bildung zu strukturieren sowie digitalisierungsbezogene Kompetenzen und Kompetenzerwerb abzubilden. Lehrpersonen mit diesen Kompetenzen werden Lernende auf digitale Herausforderungen vorbereiten und sie zu einer aktiven Teilnahme in einer digitalen Gesellschaft und Arbeitswelt befähigen. Im Vortrag werden die Grundlagen des Forschungsprojektes geschildert, wobei die Ergebnisse von bereits abgeschlossenen Vorstudien als empirische Grundlage präsentiert und zur Diskussion gestellt werden (z. B. Kotzebue et al, 2021; Thoms et. al., 2022; sowie die Entwicklung und Pilotierung eines Testinstruments zur Messung des akademischen Selbstkonzepts zu digitalisierungsbezogenen Kompetenzen für den Lehrberuf in den Naturwissenschaften in der Research Initiative Digital Education – RIDE).

Literatur

Becker, S., Bruckermann, T., Finger, A., Huwer, J., Kremser, E., Meier, M., Thoms, L.-J., Thyssen, C., & Kotzebue, L. von. (o. J.). Orientierungsrahmen Digitale Kompetenzen für das Lehramt in den Naturwissenschaften – DiKoLAN. In S. Becker, J. Meßinger-Koppelt, & C. Thyssen (Hrsg.), Digitale Basiskompetenzen – Orientierungshilfe und Praxisbeispiele für die universitäre Lehramtsausbildung in den Naturwissenschaften (S. 13–43). Joachim Herz Stiftung. https://www.joachim-herz-stiftung.de/fileadmin/Redaktion/Projekte/Naturwissenschaften/2020_Nawi_Digitale_Basiskompetenzen_web.pdf

Kotzebue, L. V., Meier, M., Finger, A., Kremser, E., Huwer, J., Thoms, L.-J., Becker, S., Bruckermann, T., & Thyssen, C. (2021). The Framework DiKoLAN (Digital Competencies for Teaching in Science Education) as Basis for the Self-Assessment Tool DiKoLAN-Grid. Education Sciences, 11(12), 775. https://doi.org/10.3390/educsci11120775

Thoms, L.-J., Colberg, C., Heiniger, P., & Huwer, J. (2022). Digital Competencies for Science Teaching: Adapting the DiKoLAN Framework to Teacher Education in Switzerland. Frontiers in Education, 7. https://doi.org/10.3389/feduc.2022.802170

Thyssen, C., Thoms, L.-J., Kremser, E., Finger, A., Huwer, J., & Becker, S. (2020). Digitale Basiskompetenzen in der Lehrerbildung unter besonderer Berücksichtigung der Naturwissenschaften. In M. Beißwenger, B. Bulizek, I. Gryl, & F. Schacht (Hrsg.), Digitale Innovationen und Kompetenzen in der Lehramtsausbildung (S. 77–98). Universitätsverlag Rhein-Ruhr.

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich die digitale Transformation tiefgreifend in nahezu allen Bereichen unseres Lebens manifestiert, was zu einer grundlegenden Veränderung unserer Lebensweise geführt hat. Diese Entwicklung lässt sich besonders durch die zunehmende Bedeutung von "Zukunftstechnologien" erkennen, die bereits jetzt unser aller Leben nachhaltig prägen und im Sinne der Digitalität verbessern [1]. Ein markantes Beispiel für solche disruptiven Technologien ist die generative künstliche Intelligenz, insbesondere Systeme wie ChatGPT. Sie eröffnen neue Dimensionen in der Informationsbeschaffung, Kommunikation, Problemlösung oder auch naturwissenschaftlichen Forschung. Aber auch andere Zukunftstechnologien wie Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) sowie informatische Grundkompetenzen wie Data & Computational Literacy gewinnen zunehmend an Relevanz. Diese genannten Technologien bringen Vorteile, wie verbesserte Lernmethoden, interaktive Erfahrungen und effizientere Prozesse, bergen jedoch auch Risiken, insbesondere im Hinblick auf Datenschutz, ethische Bedenken und die Notwendigkeit einer kritischen Medienkompetenz.

Angesichts dieser Entwicklungen ist es unumgänglich, dass das Bildungssystem reagiert. Schülerinnen und Schüler müssen nicht nur lernen, wie sie diese Technologien (KI, AR, VR, informatische Grundkompetenzen) effektiv für ihr Lernen nutzen können, sondern auch verstehen, wie diese Technologien funktionieren und welche Auswirkungen sie auf Gesellschaft und Individuum haben können.

Parallel dazu ist es von essenzieller Bedeutung, dass Lehrpersonen und Lehramtsstudierende adäquat auf den Einsatz dieser Technologien im Unterricht vorbereitet werden. Dazu gehören pädagogische Konzepte, die den sinnvollen Einsatz im Klassenraum unterstützen, sowie Weiterbildungen, die Lehrkräfte in die Lage versetzen, sowohl die Potenziale als auch die Herausforderungen dieser Technologien zu verstehen und zu vermitteln.

Im Beitrag wird (auch ausgehend von den anderen Vorträgen des Symposiums) einen Blick sowohl auf Potentiale der Zukunftstechnologien - insbesondere Augmented Reality [2], als auch auf die Kompetenzen für Lehrpersonen geworfen. Dabei werden die Forschungsergebnisse (mehrerer abgeschlossener Forschungsprojekte) rund um curriculare Innovationsforschung als auch agiler partizipativer Aktionsforschung des interdisziplinären Brückenlehrstuhls präsentiert. Ebenso wird ein Blick auf den neuen Orientierungsrahmen “Digitale Kompetenzen für Lehrpersonen der Naturwissenschaften” [3] im Bereich der Zukunftstechnologien “Immersive Mixed Reality” als auch “Künstlicher Intelligenz” gegeben. Darüber hinaus werden prototypische Konzepte zur Integration von künstlicher Intelligenz und Augmented Reality in die universitäre Lehre vorgestellt.

Literatur

[1] Thyssen, C., Huwer, J., Irion, T., & Schaal, S. (2023). From TPACK to DPACK: The Digitality-Related Pedagogical and Content Knowledge-Model in STEM-Education. education sciences, 13(8), 769. https://www.mdpi.com/2227-7102/13/8/769

[2] Czok, V., Krug, M., Müller, S., Huwer, J., Kruse, S., Müller, W., & Weitzel, H. (2023). A Framework for Analysis and Development of Augmented Reality Applications in Science and Engineering Teaching. education sciences, 13(9), 926. https://www.mdpi.com/2227-7102/13/9/926

[3] Kotzebue, L. v., Meier, M., Finger, A., Kremser, E., Huwer, J., Thoms, L.-J., Becker, S., Bruckermann, T., & Thyssen, C. (2021). The Framework DiKoLAN (Digital Competencies for Teaching in Science Education) as Basis for the Self-Assessment Tool DiKoLAN-Grid. education sciences, 11(12), 775. https://www.mdpi.com/2227-7102/11/12/775