Die naturwissenschaftliche familiäre Lernumwelt - Quantität und Qualität von Interaktionen und ihre Zusammenhänge mit den naturwissenschaftlichen Kompetenzen der Kinder

Abstract

Eine frühe Auseinandersetzung mit den Naturwissenschaften gilt als prädiktiv für die Ausbildung einer naturwissenschaftlichen Grundbildung, welche als Voraussetzung für eine Teilhabe in einer technisch-naturwissenschaftlich orientierten Gesellschaft angesehen wird. Für jüngere Kinder, aber auch solche, die bereits die Schule besuchen, ist die familiäre Lernumwelt (Home Learning Environment, HLE) ein wichtiger Einflussfaktor für die naturwissenschaftlichen Kompetenzen, wie die Entwicklung naturwissenschaftlichen Wissens, motivationalen Orientierungen, aber auch der Lernprozesse, die die Kinder in den Interaktionen mit den Elternteilen durchlaufen. Die HLE wird als ein Zusammenspiel unterschiedlicher Faktoren angenommen, von denen die unmittelbaren Interaktionen zwischen Elternteil und Kind als proximaler und zentraler Faktor für die kindliche Entwicklung wahrgenommen werden. Diese werden von distalen Faktoren wie dem familiären sozioökonomischen Status (socio-economic status, SES) oder elterlichen Orientierungen zur Förderung ihres Kindes oder gegenüber einer bestimmten Domäne beeinflusst. Deren Effekte können auf die kindlichen Kompetenzen durch die Interaktionen wiederum mediiert werden. Während in anderen Domänen wie Literacy und Numeracy ein relativ breiter Forschungskorpus über die HLE und die darin stattfindenden Interaktionen vorliegt, ist in der naturwissenschaftlichen Domäne wenig dazu bekannt. Zum Beispiel ist unklar, inwieweit die Häufigkeit von Interaktionen die Effekte distaler Faktoren auf die kindlichen Kompetenzen mediieren, wie unterschiedliche Interaktionstypen differenziert werden können und inwieweit diese differenziell mit den kindlichen Kompetenzen zusammenhängen. Dabei ist zusätzlich unklar, ob die Befunde aus anderen Domänen auf den naturwissenschaftlichen Kontext übertragbar sind. Neben der Häufigkeit wird auch die Qualität der Interaktionen als bedeutsam für die naturwissenschaftlichen Kompetenzen der Kinder angenommen, also wie die Eltern mit ihren Kindern interagieren. Bislang herrscht in der Forschung zu naturwissenschaftlichen Eltern-Kind-Interaktionen allerdings wenig Konsens darüber, was bedeutsame Merkmale von Interaktionsqualität ausmacht. Bisherige Studien fokussieren oftmals auf einzelne Aspekte der Interaktionsqualität mit stark unterschiedlichen Operationalisierungen und Terminologien über die Studien hinweg. Dadurch wird einerseits die Vergleichbarkeit der Studien, andererseits die Identifikation übergeordneter Prinzipien erschwert, die allgemein als wichtige Merkmale qualitativ bedeutsamer Interaktionen angesehen werden. Zusätzlich ist durch eine unklare konzeptuelle Definition der Interaktionsqualität die Identifikation von deren Zusammenhänge mit den unterschiedlichen naturwissenschaftlichen Kompetenzen der Kinder erschwert. Um diese Forschungslücken zu schließen, wurde die naturwissenschaftliche HLE mit einem Fokus auf den darin stattfindenden Interaktionen zwischen Elternteil und Kind in drei aufeinanderfolgenden Studien untersucht. Studie 1 untersuchte die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Interaktionstypen in der naturwissenschaftlichen HLE und deren Einfluss auf das naturwissenschaftliche Wissen von Kindern. Die quantitative Analyse von Daten aus der TIMS-Studie 2019 zeigte, dass naturwissenschaftliche Interaktionen in der HLE in verschiedene Typen unterteilt werden können: science talk umfasst das Sprechen über alltägliche naturwissenschaftliche Inhalte, während science experiences gemeinsame Erfahrungen mit naturwissenschaftlichen Medien und Materialien beinhalten. Es wurde darüber hinaus mittels Strukturgleichungsmodelle gezeigt, dass der science talk, nicht aber die science experiences, mit dem naturwissenschaftlichen Wissen der Kinder zusammenhängt und Einflüsse distaler Faktoren wie dem familiären sozioökonomischen Status (SES) oder den Orientierungen der Eltern zu den Naturwissenschaften auf das naturwissenschaftliche Wissen der Kinder mediiert. Dies weist auf die besondere Bedeutung gemeinsamer Gespräche über die Naturwissenschaften hin, die eine zentrale Rolle in der HLE für die kindlichen Kompetenzen einnehmen. Gleichzeitig könnte neben der Häufigkeit auch die Qualität dieser Gespräche eine Rolle für die naturwissenschaftliche Entwicklung spielen. Zum Beispiel ist es annehmbar, dass ohne qualitativ bedeutsame Gespräche während der science experiences diese auch weniger hilfreich für die kindlichen Kompetenzen sein könnten, was (unter anderem) die nicht signifikanten Beziehungen zwischen den science experiences und dem naturwissenschaftlichen Wissen der Kinder erklären könnte. Studie 1 gibt somit erste Hinweise, welche Interaktionen insbesondere für die kindliche naturwissenschaftliche Entwicklung bedeutsam sind und ergänzt die (wenigen) bisherigen Befunde aus dem naturwissenschaftlichen Kontext durch eine systematische Untersuchung der Wechselwirkungen unterschiedlicher Faktoren der naturwissenschaftlichen HLE. In Studie 2 wurden nähere Untersuchungen zur Qualität gemeinsamer Eltern-Kind-Interaktionen in den Naturwissenschaften durchgeführt. Aufgrund der unklaren konzeptuellen Definition von Interaktionsqualität mit stark unterschiedlichen Operationalisierungen und Terminologien in bisherigen Studien, und der uneindeutigen Befundlage, wurde in Studie 2 ein systematisches Review von 81 Studien durchgeführt, um übergeordnete Dimensionen und Facetten der Interaktionsqualität in der naturwissenschaftlichen HLE zu identifizieren. Einerseits konnte eine emotional-motivationale Dimension als übergeordnete, wichtige Dimension von Interaktionsqualität herausgestellt werden, die in bisheriger Forschung allerdings weniger Beachtung fand. Davon konnte konzeptuell eine generisch kognitiv-orientierte Dimension getrennt werden (inkl. kognitive Aktivierung und Unterstützung) sowie eine domänenspezifische Dimension, welche Aspekte von Interaktionsqualität umfasst, die rein domänenspezifisch sind oder wenig mit anderen Domänen übereinstimmen (z.B. fachliche Erklärungen, Verknüpfungen zum lebensweltlichen Alltag des Kindes). In einem zweiten Schritt wurden Zusammenhänge zwischen diesen identifizierten, übergeordneten Dimensionen von Interaktionsqualität und unterschiedlichen naturwissenschaftlichen Kompetenzen des Kindes identifiziert (naturwissenschaftliches Wissen, motivationale Orientierungen und Lernprozesse). Die meisten Studien fokussierten sich auf Zusammenhänge zwischen kognitiv-orientierten Dimensionen und dem naturwissenschaftlichen Wissen und den Lernprozessen der Kinder, während sowohl Zusammenhänge mit einer emotional-motivationalen Dimension und Zusammenhänge mit den motivationalen Orientierungen der Kinder bislang wenig Beachtung fanden. Trotz einer systematischen Kategorisierung dieser Zusammenhänge anhand eines konzeptuellen Rahmens konnten weiterhin keine Regelmäßigkeiten in den Zusammenhängen zwischen Interaktionsqualität und Kindoutcomes gefunden werden. Eine Ursache dafür könnten die uneinheitlichen Operationalisierungen von Interaktionsqualität oder den kindlichen Outcomes sein, oder die individuellen Voraussetzungen der Kinder wie ihr Alter, kognitive Fähigkeiten oder Motivation, die womöglich die Interaktionen mit ihren Eltern beeinflussen. Dennoch könnte diese konzeptuelle Rahmung als Bezugspunkt für zukünftige Forschung dienen, welcher ggf. eine systematischere Erfassung von Interaktionsqualität nicht anhand von einzelnen Aspekten, sondern übergeordneten Dimensionen ermöglicht. Dieser Rahmen könnte darüber hinaus systematischere Aussagen treffen lassen, wie diese Dimensionen mit verschiedenen Kompetenzen in den Naturwissenschaften (differenziell) zusammenhängen. Daher wurde aufbauend auf diesem konzeptuellen Rahmen die Interaktionsqualität in einer alltäglichen naturwissenschaftlichen Situation erfasst und analysiert. 61 Eltern-Kind-Paare wurden beim gemeinsamen Lesen eines fast textlosen Bilderbuchs zum Thema „Jahreszeiten“ beobachtet. Dabei wurden auch Aspekte beleuchtet, die in Studie 2 als bislang wenig beachtet identifiziert wurden (z.B. die elterliche emotional-motivationale Unterstützung, die motivationalen Outcomes der Kinder). Die emotional-motivationale Unterstützung war insgesamt hoch ausgeprägt, während die kognitiv-orientierten Dimensionen (sowohl generische als auch domänenspezifische) geringer ausgeprägt waren, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass die Familien einerseits nicht explizit aufgefordert wurden, sich kognitiv mit dem naturwissenschaftlichen Thema auseinanderzusetzen, andererseits, dass einige Eltern weniger Ideen darüber hatten, welche Themen sie mit ihren Kindern besprechen konnten. Diesbezüglich zeigte sich jedoch eine erhebliche Varianz zwischen den Familien, sodass einige Eltern sich stark, einige wiederum sehr wenig kognitiv mit ihren Kindern in der gemeinsamen Interaktion engagierten. Darüber hinaus wurden positive Zusammenhänge zwischen kognitiv-orientierten (generischen und domänenspezifischen) Merkmalen der Interaktionsqualität und dem naturwissenschaftlichen Wissen der Kinder festgestellt (während insbesondere die domänenspezifischen Aspekte bedeutsam zu sein scheinen). Zudem ergaben sich signifikante positive Zusammenhänge zwischen den kognitiv-orientierten Dimensionen und der Lernfreude der Kinder, jedoch nicht mit deren Selbstkonzept. Die emotional-motivationale Unterstützung der Eltern hing nicht mit dem Wissen oder den motivationalen Orientierungen der Kinder zusammen, jedoch stark positiv mit deren Lernprozessen, die die Effekte der emotional-motivationalen Unterstützung möglicherweise auf die anderen Outcomes mediieren. Insgesamt zeigte Studie 3 die Komplexität der Interaktionsqualität in der naturwissenschaftlichen HLE auf, sowie die Wichtigkeit einer qualitativ hochwertigen Lernumwelt für unterschiedliche naturwissenschaftliche Kompetenzen der Kinder. Aus diesen Ergebnissen könnten sich erste Hinweise ableiten lassen (z.B. auch für best-practice-examples), wie Eltern ihre Kinder hinsichtlich unterschiedlichster Aspekte in der HLE bestmöglich fördern können. Diese Dissertation bietet somit erste und neue Einblicke in die Natur der naturwissenschaftlichen HLE und deren Zusammenhänge mit den naturwissenschaftlichen Kompetenzen von Kindern. Es wurde gezeigt, dass sowohl die Häufigkeit als auch die Qualität von Interaktionen in der HLE bedeutend sind und – neben distalen Faktoren – einen zentralen Einflussfaktor für unterschiedliche naturwissenschaftliche Kompetenzen darstellen. Zudem gibt diese Arbeit neue Einblicke in die Konzeption der Interaktionsqualität, die Ausprägung ihrer unterschiedlichen Dimensionen, und systematischere Einblicke in differenzielle Zusammenhänge mit unterschiedlichen naturwissenschaftlichen Kompetenzen der Kinder. Eine Stärke dieser Arbeit könnten somit die unterschiedlichen Perspektiven auf die HLE (hinsichtlich quantitativer, literaturbasierter Analysen und Beobachterratings) und die Fokussierung auf unterschiedliche Kompetenzen der Kinder zugleich sein. Damit konnten neue Sichtweisen auf die HLE gewonnen werden, die wertvolle Grundlagen für zukünftige konzeptuelle und empirische Untersuchungen schaffen könnten sowie die Notwendigkeit einer differenzierten Betrachtung der naturwissenschaftlichen HLE für die Entwicklung effektiver Bildungsstrategien betonen. Implikationen für zukünftige Forschungsvorhaben könnten bedeuten, die HLE zudem längsschnittlich zu betrachten, um konkretere Aussagen über die Richtung der hier gefundenen Zusammenhänge machen zu können. Zugleich könnten durch diese Arbeit Implikationen für die Praxis abgeleitet werden, um Beispiele für Eltern zu schaffen (z.B. im Austausch mit pädagogischen Fachkräften), um ihre Kinder in Interaktionen in der naturwissenschaftlichen HLE bestmöglich emotional-motivational als auch hinsichtlich kognitiv-orientierter Aspekte zu unterstützen.

An early engagement with science is considered predictive of the development of scientific literacy, which is often seen as a prerequisite for participation in a technologically and scientifically oriented society. For younger children, as well as those already attending school, the home learning environment (HLE) is an important influencing factor for scientific learning, such as the development of scientific knowledge, motivational attitudes, and the children’s engagement in interactions with their parents. The HLE is assumed to be an interplay of different factors, with interactions between parents and children often seen as a proximal and central factor for child development. Distal factors like the family’s socioeconomic status (SES) or parental beliefs and attitudes (e.g., towards fostering their child in various domains, domain-specific attitudes like their interest or self-concept) influence these interactions which, in turn, mediate their effects on the children’s science learning. While there is a relatively broad research corpus on the HLE and the interactions within the HLE for the domains of literacy and numeracy, less is known for the scientific domain. For example, little is known about how the frequency of interactions mediates the effects of distal factors on the children’s learning, or the extent to which various types of interactions can be differentiated and have differential effects on the children’s learning. Additionally, it is unclear how findings from other domains are transferable to the scientific context. Besides frequency, the quality of interactions is also assumed to be significant for children's scientific learning, i.e., how parents interact with their children. However, there is little consensus so far on what constitutes significant principles of interaction quality. Previous studies often focus on individual aspects of interaction quality with highly varying operationalizations and terminologies across studies. This makes it difficult to compare studies and identify overarching principles that are generally considered important features of high-quality interactions. Furthermore, unclear conceptual definitions of interaction quality complicate identifying its relationships with different aspects of children's scientific learning. To address these research gaps, the scientific HLE was investigated in three consecutive studies with a focus on the interactions between parent and child. Study 1 used quantitative analyses to differentiate between the frequency of different types of interactions in the scientific HLE and their associations with children's scientific knowledge. Analysis of data from TIMSS 2019 showed that scientific interactions in the HLE could be divided into two different types: science talk includes talking about everyday scientific content, while science experiences involve shared experiences with scientific media and materials. Using structure-equation modeling, it was shown that only science talk is related to children's scientific knowledge and mediates the effects of distal factors such as family SES or parents' beliefs and attitudes towards science on children's scientific knowledge. For science experiences no such correlation was found. This highlights the particular importance of joint conversations about science, which play a central role in the HLE for the children's learning. Besides frequency also the quality of these conversations might influence children's science learning. It is conceivable that without high-quality conversations during science experiences, these experiences might be less helpful for children. This, in turn, potentially explains the non-significant relationships between science experiences and children's scientific knowledge. Thus, Study 1 provides initial insights into which interactions are particularly significant for children's scientific development and supplements the (few) previous findings from the scientific context through a systematic investigation of the interactions between different factors of the scientific HLE. Building upon the findings in Study 1, Study 2 conducted closer examinations of the quality of joint parent-child interactions in science. Due to the ambiguous conceptual definition of interaction quality and the unclear findings in previous studies, a systematic review of 81 studies was conducted to identify overarching dimensions and facets of interaction quality in the scientific HLE. An emotional-motivational dimension emerged as an overarching, important dimension of interaction quality that has, however, received less attention in previous research. Conceptually, a generic cognitive-oriented dimension (including cognitive activation and support) and a domain-specific cognitive-oriented dimension, which includes aspects of interaction quality that are solely domain-specific or have little overlap with other domains (e.g., science explanations, connections to the child's previous knowledge or everyday life), could be conceptually separated. In a second step, relationships between these identified overarching dimensions of interaction quality and different aspects of children's learning (scientific knowledge, motivational attitudes, and engagement) were identified. Most studies focused on relationships between cognitive-oriented dimensions and children's scientific knowledge and engagement, while relationships with an emotional-motivational dimension and relationships with children's motivational attitudes received less attention. Despite a systematic categorization of these relationships based on a conceptual framework, no correlations between interaction quality and child outcomes could be found. This might be due to unclear operationalizations of interaction quality and children's outcomes, as well as children's individual prerequisites like age, previous knowledge, or motivation, which likely influence interaction quality. However, this conceptual framework could serve as a reference point for future research, enabling more systematic analyses of interaction quality that are rather based on overarching dimensions considered important for high-quality interactions in previous research than on individual aspects. This allows for more systematic statements about how these dimensions are (differentially) related to various aspects of children's scientific learning. Based on this conceptual framework, Study 3 analyzed the quality of interactions in a daily scientific situation and related interaction quality to various children’s outcomes, including their scientific knowledge, motivation, and engagement. Sixty-one parent-child pairs were observed while reading an almost wordless picture book about the four seasons together. Emotional-motivational support was generally high, while cognitive-oriented dimensions (both generic and domain-specific) were less pronounced, possibly because families were not explicitly asked to engage cognitively with the scientific topic, or because some parents had fewer ideas about which topics they could discuss with their children. However, there was significant variance between families, with some parents engaging heavily and others very little in cognitive-oriented interactions with their children. Additionally, positive relationships were found between cognitive-oriented (generic and domain-specific) dimensions of interaction quality and children's scientific knowledge (with domain-specific aspects being particularly associated). Moreover, significant positive relationships were found between cognitive-oriented dimensions and children's enjoyment of learning, but not with their self-concept. Parental emotional-motivational support was not related to children's knowledge or motivational attitudes but was strongly positively related to their engagement, possibly mediating the effects of emotional-motivational support on other outcomes. Overall, Study 3 demonstrates the complexity of interaction quality in the scientific HLE and the importance of a qualitatively high learning environment for children's scientific learning. From these results, initial suggestions can be derived (e.g., for best-practice examples) on how parents can best support their children in the HLE regarding various aspects of children’s science learning. This dissertation might provide new insights into the nature of the scientific HLE and its relationships with children's scientific learning. It has shown that both the frequency and quality of interactions in the HLE are significant and, alongside distal factors, represent a central influencing factor for various aspects of children's learning. Furthermore, this work offers new insights into the conception of interaction quality through different dimensions, how these are pronounced, and more systematic insights into differential relationships with different aspects of children's learning. Potential strengths of this work are the different perspectives on the HLE (in terms of quantitative, literature-based analyses and observer ratings) and the focus on different aspects of children's learning. This could yield entirely new perspectives on the HLE, providing valuable foundations for future conceptual and empirical studies and emphasizing the necessity of a differentiated consideration of the scientific HLE for the development of effective educational strategies for parents. Implications for future research projects could mean considering the HLE longitudinally or using quasi-experimental designs to make more concrete statements about the causality of found correlations. The findings of this study may have also implications for practice, e.g. creating examples for parents (e.g., in exchange with educational professionals) to best support their children in interactions in the scientific HLE both emotionally-motivationally and in terms of cognitive-oriented aspects.