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Forschungs- und Nachwuchskolleg
Didaktik des digitalen Unterrichts: Digital gestützte Lehr-Lernsettings zur kognitiven Aktivierung

  • Ziele: Entwicklung und empirische Fundierung von forschungsbasierten Lehr-Lernmethoden mit digitalen Tools für den Einsatz im Unterricht

  • Forschungsfragen: kognitive Aktivierung in Phasen der Erarbeitung neuer Inhalte

  • Kooperationspartner: Pädagogische Hochschule Freiburg und Albert-Ludwigs-Universität

  • Projektleitung: Prof. Dr. Jan M. Boelmann (Sprecher), Prof. Dr. Matthias Nückles (Sprecher), Prof. Dr. Timo Leuders (Co-Sprecher), Jun.-Prof. Dr. Katharina Loibl (Co-Sprecherin)

  • Fördersumme: 5 Lehrerabordnungen, 4 LGFG-Stipendien, 1 TV-L E13, 1 Junior-Professur sowie Sachmittel

  • Förderzeitraum: 08/2021 – 07/2024

  • Mittelgeber: Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg

  • Projektart: Forschungs- und Nachwuchskolleg

Beschreibung

Das Forschungs- und Nachwuchskolleg zielt darauf ab, forschungsbasierte Lehr-Lernmethoden mit digitalen Tools für den Einsatz in der bestehenden Unterrichtspraxis zu entwickeln und empirisch zu fundieren. Dabei wird Grundlagenwissen über erfolgreiche digitale Unterstützung fachlicher Lehr-Lernprozesse generiert. Ein besonderer Fokus liegt auf der kognitiven Aktivierung in Phasen der Erarbeitung neuer Inhalte – einem Bereich, der in hohem Maße von der medialen und fachdidaktischen Qualität der eingesetzten digitalen Lehr-Lernsettings abhängt und aktuell in Forschung und Praxis noch zu wenig Beachtung findet.

Die neun Teilprojekte werden an der Pädagogischen Hochschule Freiburg und der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg durchgeführt. Maja Römer koordiniert das Kolleg. Verantwortlich für das Nachwuchsprogramm “Lehr-Lernforschung zu digitalen Medien” sind Prof. Dr. Frank Reinhold und Jun.-Prof. Dr. Maik Beege.

Wissenschaftlicher Beirat

  • Prof. Dr. Nikol Rummel, Ruhr-Universität Bochum, Pädagogische Psychologie
  • Prof. Dr. Kristina Reiss, Technische Universität München, Mathematikdidaktik
  • Prof. Dr. Katharina Scheiter, Leibniz-Institut für Wissensmedien Tübingen, Lehr-Lernforschung

Teilprojekte

Teilprojekt 1: Verstehen der Funktionsweise technischer Systeme durch Exploration interaktiver 3D-Modelle.

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Wenn Lernende Funktionszusammenhänge dynamischer, technischer Systeme erschließen, zielt dies auf ein Verständnis der jeweiligen Wirkprinzipien. Im Teilprojekt explorieren Schülerinnen und Schüler interaktiv digitale, dreidimensionale Modelle von dynamisch-technischen Systemen aus ihrem Alltag. Dadurch sollen eine Erarbeitung, Erweiterung und Reorganisation von Wissen über den strukturellen Aufbau von und raumzeitliche Veränderungen in technischen Systemen erreicht werden. In experimentellen Studien wird untersucht, wie die Explorationsumgebung und Instruktion gestaltet werden müssen, um den Erwerb des gewünschten Wissens zu unterstützen und zu fördern. Variiert werden hierfür sowohl die Gestaltung der Explorationsumgebung (z.B. Bereitstellung von Animationen technischer Systeme) als auch die Bedingungen ihrer Nutzung (z.B. Strukturierung der Vorgehensweise beim Explorieren).

Teilprojekt 2: Flächeninhaltsformel des Trapezes: Förderung des Verständnisses durch Generieren von videobasierten Erklärungen.

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Im Teilprojekt erstellen Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 6 als Resultat einer Phase der individuellen Wissenskonstruktion zum Thema “Flächenberechnung” ein Erklärvideo und berichten so ihren Wissensstand. Zentral für das Lernen ist hierbei die Aktivierung kognitiver Lernprozesse (Aktivierung von Vorwissen und Generierung von Lösungsstrategien) durch das Erstellen videobasierter Erklärungen (Lachner et al., 2020). Im Projekt wird im Unterschied zu bisherigen Studien mit fachdidaktischen Kriterien für Erklärqualität gearbeitet. Zum Inhalt “Flächeninhaltsformel des Trapezes” werden die Schülerinnen und Schüler angeregt, verschiedene eigene Lösungsansätze zu generieren (Hußmann et al., 2015) und ihre Erklärungen als Video aufzuzeichnen (“Videoerklärung”). Diese werden in der nachfolgenden lehrkraftgesteuerten Phase der Wissenskonstruktion von der Lehrkraft aufgegriffen, reflektiert und zum Zielwissen (Verschiedene Formeln und ihre Bezüge und Begründungen) integriert. Basierend auf bisherigen Befunden (Lachner et al., 2020) wird untersucht, in welcher Phase (individuelle Phase versus lehrkraftgesteuerte Phase der Wissenskonstruktion) die Aufzeichnung einer Videoerklärung lernförderlicher ist. Zudem wird die Wirkung verschiedener Varianten der Unterstützung (vgl. Hübner et al., 2010; Nückles et al., 2020) bei Videoerklärungen auf die Qualität der Erklärungen und auf den Lernerfolg untersucht.

Teilprojekt 3: Schwimmen und Sinken verstehen durch eine digitale Experimentierumgebung.

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Ziel des Teilprojekts ist es, beim Lerngegenstand Schwimmen und Sinken zu untersuchen, wie Wissenserwerb und -anwendung in Simulationen durch kognitive und metakognitive Prompts in digitalen Comics unterstützt werden können. Das Teilprojekt fokussiert computerbasiertes wissenschaftlich-entdeckendes Lernens mit Simulationen (de Jong & van Joolingen, 1998; Künsting et al., 2011). Dabei soll das Lernen in dieser individuellen Phase mit Lernstrategie-Prompts in den Comics unterstützt werden. Durch Prompts werden die Lernenden kognitiv aktiviert (Bannert, 2009): Kognitive Prompts regen zur elaborativen Tiefenverarbeitung (Entwistle, 1988), metakognitive Prompts zur Reflexion im Sinne einer Verstehensüberwachung an (Nückles & Wittwer, 2014; Künsting et al. 2013). In einem 2×2-Design (mit/ohne kognitive Prompts; mit/ohne metakognitive Prompts) wird die Wirkung der kognitiven Aktivierung durch Prompts in den digitalen Comics auf den Lernerfolg untersucht.

Teilprojekt 4: Systemisches Denken lernen mit Simulationen von ökologischen Systemen.

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Im Teilprojekt wird untersucht, wie Facetten systemischen Denkens (im Projekt: Systemmodelle bei der Bearbeitung von komplexen dynamischen Problemen in Ökosystemen nutzen) wirkungsvoll mit digitalen Tools gefördert werden können. Die Förderung systemischen Denkens folgt dem “Modell problemorientierten Lehrens und Lernens” (MoPoLL) (Rieß & Mischo, 2017; Fanta et al., 2019), welches für die Förderung naturwissenschaftlicher Problemlösefähigkeiten konzipiert wurde, sich bei der Förderung systemischen Denkens wiederholt bewährt hat und zahlreiche Möglichkeiten einer durch digitale Tools unterstützen kognitiven Aktivierung eröffnet. Es wurde aus dem 4C/ID-Modell (Van Merriënboer & Kirschner, 2007) abgeleitet und umfasst verschiedene Elemente der kognitiven Aktivierung. Untersucht wird die Frage, welche Wirkungen von einem Einsatz entweder digitaler qualitativer, halbqualitativer oder quantitativer Systemmodelle auf Facetten systemischen Denkens ausgehen. Zum anderen wird der Einsatz von Prompts in Form von verbalen Hinweisen, Erinnerungen an gezeigte Problemlösestrategien, Rückmeldungen und Bekräftigungen (Hsu, 2017) untersucht.

Teilprojekt 5: Figurenverstehen mit narrativen Computerspielen.

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Das Teilprojekt nutzt das interaktive, narrative Computerspiel A Normal Lost Phone im Zusammenspiel mit digitalen Lerntagebüchern, um auf Basis erfahrungsbasierten Lernens (Buck, 2019; Dewey, 1938; Kolb, 1984; Kolb & Kolb, 2017) literarische Kompetenzen (Boelmann, 2015; 2017; Klossek, 2015; Boelmann & Klossek, 2013; König, 2020; Boelmann & König, in press a) aufzubauen. Fokussiert wird die Teilkompetenz Figurenverstehen mit den Niveaustufen Figurenidentifikation, -analyse, -reflexion (ebd.; Andringa, 2000; Rietz, 2017; Pissarek, 2013). Dabei werden die kognitiven Aktivierungspotenziale des Spielkontexts als interaktiver Erfahrungsraum (vgl. Boelmann & Stechel, 2020; Squire, 2006; Kraam-Aulenbach, 2003) sowie der Einfluss des medialen Formates der Lerntagebücher (schriftlich bzw. videobasiert) untersucht. Es wird die Hypothese geprüft, dass sich das mediale Format der Lerntagebücher auf die Schwerpunktsetzung in den Reflexionsprozessen (bspw. sprachliche Elaboration, subjektive Involviertheit etc.) zeigt und auf die Durchdringung des Figurenverstehens auswirkt.

Teilprojekt 6: Sachtexte verstehen durch Strukturzeichnungen.

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Im Teilprojekt erstellen Schülerinnen und Schüler der Klassenstufen 3 und 4 digitale Zeichnungen, um ihr Lernen aus Sachtexten mit naturwissenschaftlichen Inhalten metakognitiv zu überwachen und dadurch ihr Verstehen zu verbessern (van de Pol et al., 2020). Mitentscheidend für einen hohen Lernerfolg beim Verstehen von altersgemäßen Sachtexten ist die Überwachung des eigenen Verstehens. Häufig ist die Genauigkeit der Überwachung beim Lernen aus Texten allerdings gering (Prinz et al., in press a) mit einer Tendenz zur Überschätzung des eigenen Verstehens (Wiley, 2019). Generative Aktivitäten wie das Erstellen von Zeichnungen können dazu beitragen, zusätzliche Hinweise (cue-utilization framework; Koriat, 1997) zu erhalten, die Schülerinnen und Schüler nutzen können, um ihr eigenes Verstehen genauer zu überwachen und dadurch ihr weiteres Lernen optimal zu regulieren (Prinz et al., in press b; van de Pol et al., 2020). Untersucht wird, inwieweit (a) in einer individuellen Phase des Lesens digital erstellte Zeichnungen (mit Online Unterstützung z. B. durch vorgefertigte Teile der Zeichnungen; Schmidgall et al., 2020), diagnostische Hinweise liefern, die Schülerinnen und Schüler für eine möglichst genaue Überwachung ihres Verstehens heranziehen, und (b) wie Lehrkräfte Informationen über die Zeichnungen zur zusätzlichen Unterstützung des Wissenserwerbs der Schülerinnen und Schüler nutzen können.

Teilprojekt 7: Digitale Lerntagebücher zur Förderung von Verständnis und Lernmotivation.

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In diesem Teilprojekt werden Lerntagebücher zur vertieften Auseinandersetzung mit dem Lernstoff während der Erarbeitungsphase neuer Inhalte eingesetzt. Lerntagebücher fördern die kognitive Aktivierung der Lernenden, den Lernerfolg und das Interesse am Lernstoff (Nückles et al., 2020; Wäschle et al., 2015). Die Erstellung und Archivierung der Lerntagebücher erfolgt im Projekt online in einem Shared Workspace, was Peer-Feedback (Nückles et al., 2005) sowie die Diagnose von Lernprozessen durch die Lehrkraft ermöglicht (Nückles, 2019). Das Projekt untersucht, inwieweit sich die unterschiedlichen medialen Realisierungsformen des Lerntagebuchs in Schrift versus Audio/Video (vgl. Boelmann & König, in press b; König, 2018) auf die Lernmotivation und den Lernerfolg (mit unterschiedlichen Schreibkompetenzen) auswirken. Erste Befunde (Lachner et al., 2018) weisen darauf hin, dass das Audio-/Videoformat im Vergleich zum klassischen Lerntagebuch Prozesse der Elaboration anregt. In den kontrollierten Interventionsstudien wird die mediale Realisierung (schriftliche Lerntagebucheinträge versus Audio/ Videotagebuchclips) intraindividuell variiert (d.h. alle Lernenden produzieren beides) und der Effekt auf den Lernerfolg und die Lernmotivation gemessen. Die Lerntagebücher werden primär im Fach Deutsch (Wäschle et al., 2015) und zu Vergleichszwecken zusätzlich im Fach Biologie (Glogger et al. 2012) verfasst.

Teilprojekt 8: Strukturen von Daten verstehen in statistischen Simulationen.

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Im Teilprojekt entwickeln Schülerinnen und Schüler mit Hilfe eines digitalen Simulationstools ein konzeptuelles Verständnis für den Vergleich zweier Datensätze (Ben-Zvi & Garfield, 2004). Hierbei stellt der Boxplot eine geeignete Repräsentation dar (Bakker et al., 2005), dessen Interpretation jedoch durch spezifische Fehlvorstellungen erschwert sein kann (Edwards et al., 2017; Lem et al., 2013a). Im Teilprojekt wird ein digitales Simulationstool zur explorativen Datenanalyse weiterentwickelt, mit Hilfe dessen Lernende Impulsfragen zum paarweisen Vergleich zweier Datensätze (Lem et al., 2015) auf der Basis eindimensionaler Punktwolken (Bakker et al., 2005) beantworten. In einer nachfolgenden lehrkräftegestützten Phase werden passende Refutationsbeispiele zur Kontrastierung der Fehler in den Schülerprodukten genutzt (Lem et al., 2015; Loibl & Rummel, 2014). Untersucht wird, ob und wie eine digitale Lernumgebung zielführende kognitive Aktivitäten – d. h. in einer individuellen Phase die Generierung teilweise intuitiv-fehlerhafter Präkonzepte (Lem et al., 2013b) sowie in einer nachfolgenden lehrkraftgesteuerten Phase die Systematisierung der lernförderlichen Kontrastierung von Fehlern (Loibl & Rummel, 2014) durch Refutationsbeispiele (Palmer, 2003; Hynd, 2001) – unterstützen kann.

Teilprojekt 9: Brüche als Anteile verstehen mit digitalen Modellierungswerkzeugen.

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Im Teilprojekt entwickeln Schülerinnen und Schüler Ende der 5. Klasse mit Hilfe eines digitalen Modellierungswerkzeugs (Boomgarden et al., 2019, 2020) ein grundlegendes konzeptuelles Verständnis von Brüchen als Anteile (Pithkethly & Hunting, 1996). Zentral beim hierbei nötigen Konzeptwechsel (Vosniadou & Verschaffel, 2004) ist dabei die Loslösung vom Präkonzepten (v.a. natural number bias; Ni & Zhou, 2005) und die Bildung geeigneter mentaler Modelle gestützt durch eine Generierung visueller Modelle von Anteilssituationen (Loibl & Leuders, 2018; Prediger, 2013; Rau et al., 2015). Untersucht wird, in welcher Weise eine digitale Lernumgebung die zentralen kognitiven Aktivitäten initiieren und unterstützen kann: Das Generieren lernrelevanter Präkonzepte in einer problembasierten individuellen Phase der Wissenskonstruktion, sowie die Fehlerverarbeitung (Loibl & Leuders, 2019) und Verallgemeinerung durch Lösungsvergleiche (Rittle-Johnson & Star, 2011). In der individuellen Phase der Wissenskonstruktion wird untersucht, inwiefern die digitale Lernumgebung die Generierung der lernrelevanten (Teil)lösungen (germane load) unterstützt und von lernhinderlichen Aktivitäten (extraneous load), wie sie beim Zeichnen mit Stift und Papiere oft auftreten, entlastet. In der lehrkraftgestützten Vergleichsphase wird in einem 2×2 Design untersucht, welchen Beitrag die beiden Vergleichstypen (Vergleich mit fehlerhaften Lösungen, Vergleich der Anwendung auf verschiedene Situationen) zur Konzeptbildung leisten.

Teilprojekt 10: Creative Literacies in Music. Funktionalität und Originalität der Elaboration musikalischer Gestaltungsaufgaben mit einer Digital Audio Workstation.

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Im Teilprojekt werden Kreationsprozesse und -produkte im Kontext musikalischer Gestaltungsaufgaben mit einer Digital Audio Workstation (DAW) initiiert und hinsichtlich förderlicher Faktoren mit Blick auf das Lernziel musikalisch-ästhetischer Gestaltungskompetenz (creative literacy in music) (CLM) untersucht.

Im produktionsorientierten Szenario werden komplexitätsreduzierende musikalische Patternarbeit (Roth, 2006; Schmidt-Oberländer & Jank, 2010) und nicht-lineare, kreativitätsförderlich Playfulness (Schmid, 2019; Schmid & Doerne, 2020; Spring-Keller & Schmid, 2015) in eine kooperative Lernumgebung nach dem Sandbox- oder Tinkering Prinzip (Resnick, 2012) eingebettet. Dabei wird ein generatives Sequenzer-Tool im Rahmen einer musikalischen Gestaltungsaufgabe pilotiert und im Forschungsdesign Prozess- und Produktqualität systematisch aufeinander bezogen. In der individuellen Phase wird die Elaborierung mehrstufiger Kreationsprozesse (Kreation, Reflexion, Re-Kreation) im Zusammenspiel der Aktivierung von Vorwissen und Generierung von Lösungsstrategien (Gebauer, 2013) fokussiert. Untersucht wird dann der Einfluss variierter Angebotsstrukturen bei der Nutzung von Gestaltungspielräumen (Kranefeld, 2021; Puffer & Hofmann, 2016; Rolle, 2010) sowie Scaffoldingstrukturen (Buchborn & Theissohn, 2021) auf den Lernerfolg. In einem Kontrollgruppendesign wird überprüft, wie sich Gewichtung der Lernendenunterstützung auf die Qualität der musikalischen Gestaltungsprodukte bzgl. objektivierbarer Konvergenz und innovativer Divergenz (functionality/novelty) und den Lernerfolg im Kontext CLM auswirken.

Teilprojekt 11: Spieltaktisches Lernen mittels digitaler Analysetools.

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Das Teilprojekt 11 untersucht, inwiefern spieltaktisches Lernen durch eine digitale Lehr-Lernumgebung in Form eines Videoanalysetools beeinflusst werden kann. Der Fokus liegt dabei auf kognitiven Aktivitäten der Lernenden beim Aufbau von spieltaktischem Wissen, da dieser Wissensaufbau aktuelle in verschiedenen fachspezifischen Ansätzen zur kognitiven Aktivierung als besonders relevant diskutiert wird (Richartz & Kohake, 2021; Hapke & Waigel, 2019). Unter spieltaktischer Fähigkeit wird im Sportspiel die Fähigkeit eines Spielers verstanden, zum richtigen Zeitpunkt die richtige Aktion durchzuführen (Roth, 1989). Spieltaktisches Wissen wiederum verfügt über eine prozedurale und eine deklarative Komponente (Anderson, 1987; Tenenbaum & Lidor, 2005; Thomas & Thomas, 1994), da nur eine Kombination beider Wissensformen vielfältige Handlungen im Sportspiel ermöglicht (Raab, 2001). Auf Grund der Ausrichtung des DigeLL-Gesamtprojekts auf kognitive Aktivierung wird auch im Teilprojekt die deklarative Komponente spieltaktischen Wissens fokussiert. Dabei wird das entdeckende Lernen als Instruktionsstrategie gewählt, das sich im Kontext spieltaktischen Lernens auf den Prozess der wiederholten Versuche als Hypothesentest bezieht (Vereijken & Whiting, 1990). Im Teilprojekt wird eine digitale Lehr-Lernumgebung entwickelt, die insbesondere Elemente der kognitiven Instruktion enthält und sowohl in den selbstgesteuerten Lernphasen der Schülerinnen und Schüler als auch in lehrkraftgesteuerten Phasen genutzt werden kann.

Teilprojekt 12: Zeichen Zeichnen mit Mixed- und Augmented-Reality-Anwendungen zur Förderung von räumlichen Vorstellungs- und Darstellungsvermögen.

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Im Teilprojekt 12 werden Prozesse digital-räumlichen Zeichnens im Umgang mit Mixed- und Augmented-Reality-Anwendungen initiiert und hinsichtlich förderlicher Faktoren für räumliche Vorstellungs- und Darstellungsfähigkeiten untersucht (vgl. Glaser-Henzer u. a. 2012). Ausgehend von elementaren Gestaltungsübungen mit Buchstaben und “Raumbuchstaben” (C. Lazzeroni, B. Groß) entwickeln die Jugendlichen eine individuelle persönliche “Signatur” aus einer Linie heraus, die im Wechselspiel von analogen und digitalen Medien von der Fläche in den Raum entworfen wird. Sowohl im Übergang von einem Medium in ein anderes als auch von zweidimensionaler zu dreidimensionaler Darstellungsform werden die gezeichneten Zeichen wie auch die Bewegungen selbst je anders (dynamisch) erfahren, zum Beispiel durch Einsatz von Spiegelungen oder von Rotationen. Um mit qualitativ-empirischen Analysemethoden individuellen sowie kollaborativen Wissenskonstruktionen und ästhetischen Erfahrungen auf die Spur zu kommen, werden bildnerische Prozesse videographisch und mittels Smartphone-Aufzeichnungen dokumentiert (Beobachtungsperspektive) und durch Interviews mit Lernenden ergänzt (Selbstwahrnehmung). Konkreten Funktionalitäten und medialen Eigenheiten der spezifischen Tools gilt dabei eine besondere Aufmerksamkeit: Schülerinnen und Schüler sollen nicht nur technische Vorgehensweisen erlernen, sondern darüber hinaus bildnerische Potenziale beim digital-räumlichen Zeichnen erfahren und als solche erkennen. Das Projekt strebt damit einen Beitrag zu einer grundlegenden Untersuchung von und Sensibilisierung für mediale sowie ästhetische Dimensionen digitaler Phänomene im Kontext von Kunst und Bildung an (vgl. Bader/Karl 2022) und fragt danach, wie ein souveräner Umgang mit technischen Möglichkeiten sowie den bildnerischen Potenzialen spezifischer digitaler Tools unterstützt werden kann (Bild- und Medienkompetenz).

Kollegiatinnen und Kollegiaten

Igor Gideon

Igor Gideon

Teilprojekt 1: Verstehen der Funktionsweise technischer Systeme durch Exploration interaktiver 3D-Modelle.

Jennifer Ursprung

Jennifer Ursprung

Teilprojekt 2: Flächeninhaltsformel des Trapezes: Förderung des Verständnisses durch Generieren von videobasierten Erklärungen.

Tom Jungbluth

Tom Jungbluth

Teilprojekt 3: Schwimmen und Sinken verstehen durch eine digitale Experimentierumgebung.

Sven Frey

Sven Frey

Teilprojekt 4: Systemisches Denken lernen mit Simulationen von ökologischen Systemen.

Jaron Müller

Jaron Müller

Teilprojekt 5: Figurenverstehen mit narrativen Computerspielen.

Felix Sprenger

Felix Sprenger

Teilprojekt 6: Sachtexte verstehen durch Strukturzeichnungen.

Florian Luft

Florian Luft

Teilprojekt 7: Digitale Lerntagebücher zur Förderung von Verständnis und Lernmotivation.

Martin Abt

Martin Abt

Teilprojekt 8: Strukturen von Daten verstehen in statistischen Simulationen.

Rowena Merkel

Rowena Merkel

Teilprojekt 9: Brüche als Anteile verstehen mit digitalen Modellierungswerkzeugen.

Simon Krickl M.a 2022

Simon Krickl

Teilprojekt 10: Creative Literacies in Music. Funktionalität und Originalität der Elaboration musikalischer Gestaltungsaufgaben mit einer Digital Audio Workstation.

Marco Steger 300x300

Marco Steger

Teilprojekt 11: Spieltaktisches Lernen mittels digitaler Analysetools.

Angela Warnecke

Angela Warnecke

Teilprojekt 12: Zeichen Zeichnen mit Mixed- und Augmented-Reality-Anwendungen zur Förderung von räumlichen Vorstellungs- und Darstellungsvermögen.

Förderer

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