Learning by Explaining: How Implementation- and Student-Related Boundary Conditions Determine the Effectiveness of Generating an Explanation to a Fictious Peer

Abstract

Gaining conceptual knowledge in science is regarded as a fundamental goal in education (BMBF, 2019; KMK, 2009). However, several studies have shown only rudimentary and superficial conceptual knowledge in STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) subjects (MINT Nachwuchsbarometer, 2020; Reiss et al., 2019). Conceptual knowledge is considered a crucial requirement to deeply understand new information and to transfer it to other contexts (Gruber et al., 2000; Jong & Ferguson-Hessler, 1996; Mandl et al., 1994). Generative learning strategies may trigger students to deeply process new content and to monitor their learning, which has been shown to enhance students’ conceptual knowledge and their monitoring accuracy (Brod, 2020; Fiorella & Mayer, 2016; Fukaya, 2013). In this context, one strategy received attention in both research and practice: learning by explaining to fictitious peers (Hoogerheide, Visee, et al., 2019). Generating an explanation to a fictitious peer is regarded as a beneficial learning strategy, as students engage in cognitive and metacognitive processes, which should result in higher levels of conceptual knowledge (Fiorella & Mayer, 2014; Lachner et al., 2021). However, prior research demonstrated mixed findings regarding the effectiveness of explaining to fictitious peers (e.g., Fiorella & Mayer, 2013, 2014; Fukaya, 2013; Hoogerheide et al., 2014; Hoogerheide, Renkl, et al., 2019; Hoogerheide, Visee, et al., 2019; Lachner et al., 2020). Additionally, large variances among studies were reported, which might highlight that the effectiveness of explaining to fictitious peers depends on boundary conditions (Kobayashi, 2019; Lachner et al., 2021). Such boundary conditions, however, have not yet been investigated systematically. In addition, little is known about the underlying mechanism of explaining to fictitious others. This dissertation aims to close both research gaps. In a first step, a theoretical framework model was generated based on prior research that considered implementation-related (i.e., explanatory modality, text complexity, social presence) and student-related (i.e., prior knowledge, academic self-concept) boundary conditions. Second, three underlying mechanisms of explaining were explored and included in the framework model, which were derived from previous research (i.e., retrieval practice hypothesis, generative learning hypothesis, social presence hypothesis). Lastly, the framework model was empirically tested within three studies. In Study 1, I investigated whether text complexity moderates the effectiveness of generating oral versus written explanations regarding students’ conceptual knowledge (i.e., factual knowledge, transfer knowledge) and their monitoring accuracy. University students (N = 115) studied a complex versus a simple text and then explained the content to a fictitious peer in either oral or written form. In a control group, students engaged in a retrieval practice activity. Results revealed that explaining is only beneficial when the provided text is complex, but not when it entails a low level of complexity regarding both students’ transfer knowledge and their monitoring accuracy. Additionally, results showed that oral explaining was more beneficial than writing explanations. The explanatory effect was mediated by students’ perceived social presence as students who explained orally showed higher levels of perceived social presence, which triggered students to generate more comprehensive explanations and resulted in higher transfer knowledge. In Study 2, I conducted a replication study with an additional writing condition in which perceived social presence of the fictitious peer was induced. In contrast to Study 1, results revealed no differences among conditions regarding students’ conceptual knowledge and monitoring accuracy. In Study 3, I investigated the impact of students’ prerequisites and tested whether school students’ prior knowledge and academic self-concept moderated the effectiveness of explaining in oral versus written form. Results showed that academic self-concept, but not prior knowledge moderated the explanatory effect, as only students with low academic self-concept benefited from explaining regarding their factual knowledge. Finally, I discussed whether explaining to fictitious others is effective by conducting two additional meta-analyses. Results revealed a small positive effect of explaining on students’ factual knowledge but not on their transfer knowledge. Additionally, results of the dissertational studies showed that the explaining effect on students’ comprehension was mediated by students’ perceived social presence during explaining. However, simply inducing social presence did not result in higher learning outcomes. Finally, results revealed that oral explaining was more beneficial than writing explanations, and that students’ academic self-concept but not their prior knowledge moderated the explaining effect. In summation, this dissertation provides a systematic investigation of potential boundary conditions of learning by explaining to fictitious peers and additionally investigated underlying mechanisms of explaining. Results of this dissertation revealed that explaining is a beneficial learning strategy to enhance students’ conceptual knowledge in STEM subjects, however, it is crucial to consider explanatory modality and students’ academic self-concept as boundary conditions of explaining.

Der Erwerb von konzeptionellem Wissen in den Naturwissenschaften wird als grundlegendes Ziel im Unterricht erachtet (BMBF, 2019; KMK, 2009). Mehrere Studien zeigten jedoch lediglich rudimentäres Wissen der Lernenden in naturwissenschaftlichen Fächern, wie den MINT-Fächern (MINT Nachwuchsbarometer, 2020; Reiss et al., 2019). Dabei gilt konzeptuelles Wissen als Voraussetzung, um neue Informationen tiefgreifend verstehen und in andere Kontexte übertragen zu können (Gruber et al., 2000; Jong & Ferguson-Hessler, 1996; Mandl et al., 1994). Generative Lernstrategien können Lernende anregen, neue Inhalte tiefgehend zu verarbeiten und ihr Lernen zu überwachen, was zu konzeptuellem Wissen und besserer Überwachungsgenauigkeit führen soll (Brod, 2020; Fiorella & Mayer, 2016; Fukaya, 2013). In diesem Zusammenhang hat vor allem eine Strategie sowohl in der Forschung als auch in der Praxis Beachtung gefunden: die Generierung einer Erklärung für fiktive Personen (Hoogerheide, Visee, et al., 2019). Das Generieren einer Erklärung wird als effektive Lernstrategie angesehen, da Lernenden zu kognitiven und metakognitiven Prozessen angeregt werden, welche zu höherem konzeptuellen Wissen führen sollten (Fiorella & Mayer, 2014; Lachner et al., 2021). Die bisherige Forschung zeigte jedoch gemischte Ergebnisse hinsichtlich der Effektivität des Erklärens gegenüber fiktiven Personen (z. B. Fiorella & Mayer, 2013, 2014; Fukaya, 2013; Hoogerheide et al., 2014; Hoogerheide, Renkl, et al., 2019; Hoogerheide, Visee, et al., 2019; Lachner et al., 2020). Zudem wurden große Varianzen zwischen den Studien berichtet, was darauf hinweisen könnte, dass Erklären nicht zwangsläufig effektiv ist, sondern von weiteren Bedingungen abhängt (Kobayashi, 2019; Lachner et al., 2021). Solche Bedingungen sind jedoch noch nicht systematisch untersucht worden. Darüber hinaus ist noch wenig über den zugrundeliegenden Mechanismus des Erklärens gegenüber fiktiven Personen bekannt. Diese Dissertation zielt darauf ab, beide Forschungslücken zu schließen. In einem ersten Schritt wurde hierfür auf Basis vorheriger Forschung ein theoretisches Rahmenmodell generiert, das implementationsbezogene (Erklärungsmodalität, Textkomplexität, soziale Präsenz) und Lerner bezogene (Vorwissen, akademisches Selbstkonzept) Bedingungen berücksichtigt. Zweitens wurden drei potenzielle Erklärungsmechanismen aus der vorherigen Forschung abgeleitet und in das Rahmenmodell integriert (Retrieval-Practice-Hypothese, Generative-Lern-Hypothese, Soziale-Präsenz-Hypothese). Schließlich wurde das Rahmenmodell innerhalb drei Studien empirisch getestet. In Studie 1 wurde untersucht, ob die Textkomplexität die Effektivität der Generierung von mündlichen oder schriftlichen Erklärungen hinsichtlich des konzeptuellen Wissens (Faktenwissen, Transferwissen) der Lernenden und ihrer Überwachungsgenauigkeit moderiert. Universitätsstudierende (N = 115) lasen einen komplexen oder einfachen Text und erklärten den Inhalt anschließend einer fiktiven Person entweder in mündlicher oder schriftlicher Form. In einer Kontrollgruppe waren die Studierenden mit einer Abrufaufgabe beschäftigt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Erklären nur dann effektiv war, wenn der Lerntext komplex war, nicht aber, wenn er eine niedrige Komplexität aufweist. Dieser Effekt zeigte sich sowohl hinsichtlich des Transferwissens als auch der Überwachungsgenauigkeit der Studierenden. Zudem war mündliches Erklären effektiver als schriftliches Erklären. Dieser Erklärungseffekt wurde durch die wahrgenommene soziale Präsenz mediiert. Studierende, die mündlich erklärten, nahmen die soziale Präsenz der fiktiven Person stärker wahr, was die Studierenden dazu veranlasste, umfassendere Erklärungen zu generieren und schlussendlich zu höheren Transferwissen führte. Studie 2 (N = 137) war eine Replikationsstudie, mit einer zusätzlichen Schreibbedingung, in der die wahrgenommene soziale Präsenz der fiktiven Person stärker induziert wurde. Im Gegensatz zu Studie 1 zeigten die Ergebnisse keine Unterschiede zwischen den Bedingungen. In Studie 3 (N = 129) wurde der Einfluss der Voraussetzungen von Schülerinnen und Schülern der achten Klassenstufe untersucht und getestet, ob das Vorwissen und das akademische Selbstkonzept die Effektivität des Erklärens in mündlicher oder schriftlicher Form moderierten. Die Ergebnisse zeigten, dass das akademische Selbstkonzept, aber nicht das Vorwissen den Erklärungseffekt moderierte, da nur Schülerinnen und Schüler mit niedrigem akademischen Selbstkonzept vom Erklären hinsichtlich ihres Faktenwissens profitierten. Abschließend wurden innerhalb der Diskussion zwei Meta-Analysen durchgeführt, um die Effektivität des Erklärens gegenüber fiktiven Personen zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigten einen kleinen positiven Effekt des Erklärens auf das Faktenwissen, aber nicht auf das Transferwissen. Zudem zeigten die Ergebnisse der Dissertationsstudien, dass der Effekt des Erklärens durch die wahrgenommene soziale Präsenz mediiert wurde. Die bloße Induktion sozialer Präsenz führte jedoch nicht zu höheren Lernergebnissen. Weiterhin zeigten die Ergebnisse, dass mündliches Erklären effektiver war als schriftliches Erklären und dass das akademische Selbstkonzept der Lernenden, nicht aber ihr Vorwissen, den Erklärungseffekt moderierte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Dissertation eine systematische Untersuchung der Bedingungen des Lernens durch Erklären gegenüber fiktiven Personen aufzeigt und zusätzlich die zugrundeliegenden Mechanismen untersuchte. Die Ergebnisse zeigten, dass das Erklären eine effektive Lernstrategie sein kann, um das konzeptuelle Wissen der Lernenden in MINT-Fächern zu fördern, jedoch ist es entscheidend, die Erklärungsmodalität und das akademische Selbstkonzept zu berücksichtigen.