Advanced Technologies in Education - Developing the Science Classroom of the Future

Innovative Technologien im Unterricht – Visionen für ein Klassenzimmer der Zukunft

Information communication technology (ICT) nowadays provides innovative learning systems which although routinely available needs adjustment to real educational environments. Due to the complexity of the task an appropriate integration into everyday classrooms is an important global research challenges focusing on its utilization and effects in both, classroom and non-classroom settings. By rigorous collecting data on teaching methods, classroom characteristics and students learning effects needInformation communication technology (ICT) nowadays provides innovative learning systems which although routinely available needs adjustment to real educational environments. Due to the complexity of the task an appropriate integration into everyday classrooms is an important global research challenges focusing on its utilization and effects in both, classroom and non-classroom settings. By rigorous collecting data on teaching methods, classroom characteristics and students learning effects needs analysis by concentrating on selected variables that may determine effectiveness as well as teachers characteristics such as teacherspreparation and professional development. Therefore, the aim of the four presented research papers focuses on envision the science classroom of the future, by constructing a framework for improving current educational practices and learning processes in science and mathematics through the effective implementation of advanced technological tools and applications. Overall this work presents a vision for the science classroom of the future: It will not be an island, a self-contained campus, a counter-world. The classroom of the future will be able to emit and absorb along different wavelengths, be immersed in contemporary culture, be open to the emotions, facts and news of its time. It will be permeated by society, but not unprotected: the relationship between school and society will be one of osmosis, where the pedagogical tools and applications act as a membrane and interface. For this purpose, four empirical studies were carried out in real school environments, based on the use of advanced educational systems. (i) The first system under study is the COSMOS Portal, which is an educational repository that offers access to a network of robotic telescopes across the world. At the same time it offers access to more than 85,000 educational resources. The behaviour of the teachers who are using this system was mapped through the log files of the system database for a period of one year. (ii) The second system, called Lab of Tomorrow, is a wearable device that allows high school students to use their every day life as the field where they will conduct sophisticated experiments and thus will deepen their understanding of the science concepts involved in the activities. The impact of the system on students learning and to the lesson profile was studied for a period of one school year. (iii) The third system, called CONNECT, is also a wearable device that includes an advanced visualization system that augments additional information to the optical view of the user. The system is used in the framework of educational visits in science centres and museums enriching the experiences of the visitors. The effectiveness of the system in supporting the students conceptual change was studied in this case. (iv) The fourth system, called EXPLOAR, evolved from the described CONNECT system to a much more user-friendly handheld device. Taking into account the school curriculum we have designed a series of scenarios of use of these tools. The scenarios of use include classroom activities, field trips in science centres and museums, informal learning activities, professional development opportunities and community building. In all four studies, students cognitive learning is analysed as well as selected teachers tasks on the job. By applying different assessment methods and tools (questionnaires, video captures of lessons, log files and web based data) we monitored the implementation procedure across different European countries. Our working hypothesis is that amending the traditional scientific methodology for experi¬mentation with visualization applications and model building tools will help students to articulate their mental models, make better predictions, and reflect more effectively. Additionally, working to reconcile the gaps and inconsistencies within their mental models, system models, predictions and results, will provide the learners with a powerful, explicit representation of their misconceptions and a means to repair them. Additionally our aim is to support teachers professional development. Apart from the purely technical training, in order for teachers to introduce ICT-enhanced learning methods into their everyday practice, they will have to perform a change in behaviour and to adapt a new culture and philosophy. The use of the new tools asks for systematic and detailed lesson planning procedures and use of student centred approaches. In our work we are demonstrating methods for involving teachers in this process but also tools to monitor this behavioural change.show moreshow less
Information Communication Technology (ICT) als englischer Dachmarkename für diverse innovative Anwendungen bietet neuartige Chancen für Lernsysteme, die allerdings noch einer rigorosen Anpassung an den Schulalltag bedürfen. Dies liegt zum einen an ihrer Komplexizität, zum anderen an schülergerechten Anwendungen, die neueren didaktischen Ansprüchen genügen; dies gilt sowohl im Klassenzimmer als auch im außerschulischen Lernort. Neue empiriebetonte Forschungsansätze setzen daher vor allem auf eineInformation Communication Technology (ICT) als englischer Dachmarkename für diverse innovative Anwendungen bietet neuartige Chancen für Lernsysteme, die allerdings noch einer rigorosen Anpassung an den Schulalltag bedürfen. Dies liegt zum einen an ihrer Komplexizität, zum anderen an schülergerechten Anwendungen, die neueren didaktischen Ansprüchen genügen; dies gilt sowohl im Klassenzimmer als auch im außerschulischen Lernort. Neue empiriebetonte Forschungsansätze setzen daher vor allem auf eine simultane Erfassung der eingesetzten Lehrmethoden, der wichtigsten Klassenzimmervariablen sowie der individuellen Lernebene, ohne auf der Lehrerseite die Lehrerausbildung und –fortbildung aus dem Auge zu verlieren. Aus diesem Grund bearbeiten die vier Originalarbeiten dieser Dissertation die Vision eines Klassenzimmers von Morgen im Hinblick auf eine Verbesserung der gegenwärtigen Unterrichtspraxis innerhalb der MINT-Fächer durch eine konsequente Einbindung verfügbarer neuer Technologien und Anwendungen. Ein Klassenzimmer kann dabei keine Insel sein, es muss in die Gesellschaft mit all ihren Möglichkeiten und Herausforderungen eingebettet sein. In einem Vergleich könnte die Schule innerhalb ihrer Gesellschaft die Osmose sein, die unterrichtlichen Gegebenheiten die zugehörige Membran oder das geeignete Zwischenstück. Vier Studien wurden in diesem Kontext innerhalb des Schulalltags durchgeführt, jeweils unter konsequentem Einsatz neuer Technologien innerhalb von europaweiten Forschungsprojekten. (i) Die erste Studie untersucht das COSMOS Portal als eine Unterrichtsplattform, die Zugang zu einem Netzwerk von großen Sternwarten der Welt bietet. Gleichzeitig sind darüber gut 85000 geeignete Unterrichtsmittel für den individuellen Unterrichtseinsatz verfügbar. Ziel dieser Studie war die Erfassung der Nutzer (Lehrer) durch die Erfassung und Auswertung so genannter Logfiles (innerhalb des vergleichsweise langen Zeitraums eines ganzen Schuljahres). (ii) Die zweite Studie analysiert das so genannten Lab of Tomorrow, eine tragbare Einheit, die Schüler-Tätigkeiten des Alltagslebens und des Sports simultan erfasst. Hier wurden ausgewählte Unterrichtseinheiten entwickelt und hinsichtlich des individuellen Lernverhaltens analysiert. (iii) Die dritte Studie, genannt CONNECT, bezieht sich erneut auf eine tragbare Computereinheit, die über spezielle Brillen gleichzeitig die Realität und speziell eingespielte Informationen ermöglicht. Die speziellen Unterrichtseinheiten wurden innerhalb von Science Center bei ausgewählten Ausstellungs¬themen angeboten (z.B. dem Heißluftballon oder dem Vogelflügel). Wieder waren die individuellen Lernerfolge auch hinsichtlich eines Konzeptwechsels Zentrum der empirischen Analyse. (iv) Die vierte Studie, genannt EXPLOAR, war zunächst eine Weiterentwicklung des CONNECT-Systems, jedoch unter konsequenter Einbindung des Klassenzimmers. Erneut war die individuelle Lernleistung der Nutzer (Schüler) das besondere Augenmerk der empirischen Analysen. In allen vier Studien wurden unterschiedliche Erfassungsmethoden eingesetzt, in Form von Fragebögen, Videoaufzeichnungen, Logfile-Aufzeichnungen oder netzgenerierten Daten. Die Arbeitshypothese ging dabei von der Annahme aus, dass bestehender Unterricht und gegebene Curricula den Ausgangsrahmen bilden müssen, um neue Ansätze in das System zu bringen, bessere Vorhersagen über Lernerfolge zu machen, auf Schülerebene effektiver reflektieren oder individuelle Fehlkonzeptionen erkennen und modifizieren zu können. Hier benötigen Lehrkräfte massive Unterstützung, um die neue Unterrichtsphilosophie auch verinnerlichen zu können. Alle vier Einzelstudien demonstrieren zumindest exemplarisch, dass dies möglich ist.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Sofoklis A. Sotiriou
Advisor:Prof Franz X Bogner
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:21.07.2010
Year of Completion:2010
SWD-Keyword:Computerunterstütztes Lernen; Erziehung
Tag:Augmented reality; Education
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-7291
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):15.09.2010