Einsatzszenarien und mögliche Effekte STACK-basierter Mathematikaufgaben im Ingenieurstudium des ersten Studienjahres

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Untersuchung von möglichen Effekten STACK-basierter Mathematikaufgaben auf das Lernverhalten und den Lernerfolg von Studierenden im Ingenieurstudium des ersten Studienjahres. Dazu werden im Sinne des Design-Based Research Ansatzes zunächst der Übergang von Lernenden von der Schule zur Universität beschrieben und Probleme sowie bereits bestehende Interventionsmöglichkeiten in der Studieneingangsphase in Bezug auf das mathematikhaltige Studium benannt. Zentral ist die theoretisch fundierte Entwicklung einer digitalen Aufgabendatenbank mathematischer Übungsaufgaben mit Hilfe des Computer-Algebra-Systems STACK und deren Einsatzmöglichkeiten in universitären Lehrveranstaltungen. Zudem stellt die empirische Untersuchung der Effektivität dieser digitalen Übungsaufgaben auf das Lernverhalten und den Lernerfolg von Studierenden sowie auf die Arbeitsbelastung von Übungsleitenden in ingenieurwissenschaftlichen Mathematiklehrveranstaltungen im ersten Studienjahr einen Fokus dieser Arbeit dar. Die Begriffe Lernstrategien und Lernverhalten werden auf Grundlage kognitionspsychologischer Theorien konzeptualisiert und durch die Entwicklung eines Lernstrategiefragebogens operationalisiert. Die Operationalisierung wird im Rahmen einer nicht-randomisierten kontrollierten Längsschnittstudie über einem Zeitraum von fünf Semestern erprobt und evaluiert. Anhand der Ergebnisse dieser empirischen Untersuchungen können positive Effekte auf das Anwenden von ausgewählten Lernstrategien, insbesondere von metakognitiven Lernstrategien und auf den Lernerfolg von Studierenden sowie eine geringere Arbeitsbelastung von Übungsleitenden beobachtet werden.

The present study examines the potential effects of STACK-based mathematics exercises on the learning behavior and academic success of first-year engineering students at TU Darmstadt. Following the Design-Based Research approach, the study first describes the transition of learners from school to university, identifying challenges as well as existing intervention strategies in the initial phase of university studies, particularly in mathematics-intensive programs. A central aspect of this research is the theoretically grounded development of a digital task database containing mathematical exercises, created using the Computer Algebra System STACK and its potential applications in university courses. Additionally, the empirical investigation focuses on the effectiveness of these digital exercises concerning students’ learning behavior, academic success, and the workload of teaching assistants in first-year engineering mathematics courses. The concepts of learning strategies and learning behavior are conceptualized based on cognitive psychology theories and operationalized through the development of a learning strategy questionnaire. This operationalization is tested and evaluated in a non-randomized controlled longitudinal study over five semesters. The findings of this empirical study indicate positive effects on the application of selected learning strategies, particularly metacognitive learning strategies, as well as on students’ academic success. Moreover, a reduction in the workload of teaching assistants is observed.