Was passiert beim Lesen von Textaufgaben und Betrachten physikalischer Diagramme? Damit befasst sich das Team um Juniorprofessor Dr. Pascal Klein in der Gruppe von Professor Jochen Kuhn von der Didaktik der Physik an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). Es nutzt dabei Eye-Tracker, eine Technik, die Blickbewegungen auf Bildschirmen erfasst und analysiert. Um das Lese- und Lernverhalten zu untersuchen, gibt es im Fachbereich Physik an der TUK seit kurzem ein eigenes Eye-Tracking-Labor, das eyePL (eyePhysics Lab). Das Team um Klein hat in ersten Studien bereits gezeigt, dass das Blickverhalten Rückschlüsse auf das physikalische Verständnis liefert.  

Beim Lesen einer Physikaufgabe wandern die Augen zwischen Text und Diagramm hin und her. Wo liegt dabei die Aufmerksamkeit? Etwa bei der Beschriftung der Achse bei einem Koordinatensystem oder bei der Kurve, die im Diagramm zu sehen ist? Springen die Blicke zwischendurch auch wieder zum Text und verharren dort ein paar Sekunden? Kann man daraus Rückschlüsse auf das Lernverhalten ziehen? „Ja, das können wir“, sagt Juniorprofessor Dr. Pascal Klein, der an der TUK zu digitalen Techniken für das Physikstudium und den Physik-Unterricht in der Schule forscht. „Früher war so etwas nicht möglich. Mit der Eye-Tracking-Technik sind wir in der Lage, das Blickverhalten beim Arbeiten mit Texten und Diagrammen genau zu analysieren.“

Für diese Untersuchung ist nicht viel Technik notwendig: Es reichen ein Bildschirm und ein Eye-Tracker, der Blickrichtungen in Echt-Zeit erfasst. Er ist direkt unter dem Display angebracht und sendet seine Daten an einen Laptop, der neben dem Bildschirm steht.


Im Eye-Tracking-Labor, dem eyePL (eyePhysics Lab), auf dem Campus der TU Kaiserslautern gibt es derzeit sechs solcher Arbeitsplätze. Das Team um Klein möchte damit zum Beispiel untersuchen, wie Studierende der Physik Texte lesen und deren Inhalte erfassen. „Wir sehen, an welchen Stellen sie verharren, ob sie zwischen Text und Diagramm hin- und herspringen oder erneut etwas lesen“, nennt der Forscher als Beispiele.

In Studien hat Klein bereits untersucht, welche Rückschlüsse sich aus den sogenannten Blickpfaden auf das Lernverhalten ziehen lassen. „Beim Arbeiten mit Diagrammen verraten uns solche Pfade, welche Strategien Studierende zum Problemlösen anwenden. Wir können auch feststellen, ob Strategien, die sie zuvor gelernt haben, richtig oder falsch zum Einsatz kommen“, fährt der Physiker fort. Auch weitere Rückschlüsse kann er mithilfe der Technik ziehen, etwa wie sicher sich Studierende beim Bearbeiten von Aufgaben sind.

In einer kürzlich veröffentlichen Studie, an der auch Forscherkollegen des Deutschen Zentrums für Künstliche Intelligenz beteiligt waren, hat das Team um Klein beispielsweise untersucht, wie physikalische Inhalte (in diesem Fall die sogenannte Divergenz von Vektorfeldern) am besten veranschaulicht werden, damit der Lernerfolg am größten ist. „Wir haben den Studierenden zwei verschiedene Darstellungsformen zur Divergenz gezeigt, einmal als Differentialrechnung und zum anderen als Integralrechnung“, fasst er den Versuchsaufbau kurz zusammen. „Um physikalische Zusammenhänge aufzuzeigen und zu beschreiben, wird in Lehrbüchern und -veranstaltungen häufig nur eine Form der Darstellung verwendet. Wir haben aber festgestellt, dass die Inhalte am besten vermittelt werden, wenn Studierende beide Formen kennen. Dies unterstreicht die wichtige Rolle verschiedener Betrachtungsweisen beim Erwerb physikalischen Wissens.“

Klein hat aber nicht nur das Lernen im Studium im Blick, sondern auch den Unterricht in Schulen. „Wir gehen mit unserer Technik in Schulen, um zu schauen, wie Schülerinnen und Schüler mit physikalischen Problemen umgehen.“ Dank der Technik stehen schon nach kurzer Zeit Ergebnisse zur Verfügung. Schnell wird klar, ob Schüler Lerninhalte verstanden haben. „Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, Unterschiede zwischen erfolgreichen Problemlösern und weniger erfolgreichen zu diagnostizieren und infolgedessen Lernverhalten individuell zu fördern“, sagt Klein. Für diese Studien arbeitet der Physiker auch mit Gruppen aus anderen Ländern zusammen, um internationale Unterschiede beim Lernen physikalischer Konzepte zu analysieren.

Auch in der Lehramtsaus- und Weiterbildung kommt die Technik an der TU Kaiserslautern zum Einsatz, etwa im Rahmen des Projekts „U.EDU: Unified Education – Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette“, das im Rahmen der gemeinsamen „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“ von Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wird. Die Einrichtung des Eye-Tracking-Labors hat der TU Nachwuchsring finanziell unterstützt.

Klein forscht bei dem Physik-Didaktiker Professor Dr. Jochen Kuhn, der mit seiner Gruppe seit knapp zehn Jahren zum Lernen mit innovativen Lehr-Lernformaten für Studium, Unterricht und Lehrerbildung forscht. Dabei verwendet er digitale Medien von heute und morgen.

Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Physics Education Research“ veröffentlicht: “Instruction-based clinical eye-tracking study on the visual interpretation of divergence: How do students look at vector field plots?” P. Klein, J. Viiri, S. Mozaffari, A. Dengel, and J. Kuhn.
DOI: https://doi.org/…

Mehr zum neuen Labor „eyePL (eyePhysics Lab)“ im Netz:
https://www.physik.uni-kl.de/…

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