Modelle sind in unserem alltäglichen Leben omnipräsent. Sie erlauben einerseits die Beschreibung komplexer Zusammenhänge sowie andererseits - darauf aufbauend - Prognosen zukünftiger Entwicklungsmöglichkeiten. So werden komplexe Modelle auf Grundlage neuer Erkenntnisse aus der Klimaforschung genutzt, um beispielsweise den Einfluss des verkehrs- oder konsumbedingten Schadstoffeintrags, der Strömungsdynamik in den Weltmeeren oder anderer Faktoren auf das Weltklima zu prognostizieren und so den menschengemachten Klimawandel zu erklären. Die Relevanz mathematischer Modelle für die Gesellschaft wird durch Verleihung des Physiknobelpreises 2021 an die ersten Entwickler von Klimamodellen zusätzlich unterstrichen – verdeutlicht jedoch auch deren Komplexität.

Entscheidend für die Entwicklung und Anwendung derartiger Modelle ist das Wissen über notwendige mathematische Methoden als auch die Fähigkeit des mathematischen Modellierens. Dies beschreibt die Fähigkeit reale Sachverhalte mithilfe mathematischer Methoden in quantifizierbare Problemstellungen zu übersetzen sowie die dabei entwickelten Resultate wiederum in den realen Kontext einzubetten. Somit zeigt sich die hohe Relevanz des Modellierens in den Naturwissenschaften, ohne die das Verständnis von naturwissenschaftlichen Konzepte nicht möglich wäre. Aufgrund dessen ist mathematisches Modellverständnis auch im Sinne der Scientific Literacy ein wesentlicher Schlüssel für gesellschaftliche Teilhabe und damit auch für eine Beteiligung an gesellschaftlichen Diskussionen zukunftsorientierter Fragestellungen.

Somit kommt dem vermitteln von mathematischen Modellkompetenzen im naturwissenschaftlichen Unterricht eine wichtige Rolle zu. Der Einsatz von haptischen Modellen im naturwissenschaftlichen impliziert fälschlicherweise einen statischen Charakter. Dabei zeichnen vor allem die zugrundeliegenden mathematischen Modelle ein diametrales Bild. Durch die Implementierung neuer Erkenntnisse und Aspekte unterliegen Modelle jedoch einem stetigen Wandel. Für die Visualisierung dieses dynamischen Charakters bieten sich der Einsatz digitaler Medien an.

Hierbei zeigte sich, dass simulationsbasierte Lernumgebungen besonders gut geeignet sind komplexe Fähigkeiten und Fertigkeiten zu vermitteln. Entsprechend soll eine simulationsbasierte Lernumgebung genutzt werden um die komplexe Arbeitsweise des Mathematischen Modellierens in einem naturwissenschaftlichen Kontext zu unterstützen. Aufgrund der aktiven Auseinandersetzung und Interaktion mit einer Simulation können Lernende zudem kompetenten Umgang mit digitalen Medien erlernen.

In dem Promotionsprojekt soll der Einfluss simulationsbasierter Lernumgebungen auf die Fähigkeit des mathematischen Modellierens beleuchtet werden. Hierfür werden Simulationen zu verschiedenen mathematischen Modellen im Naturwissenschaftlichen Kontext entwickelt (u.A. zur Michaelis-Menten-Kinetik), mit Hilfe derer Lernende naturwissenschafltiche Konzepte elaborieren können. Dabei steht die grundlegende Frage der Wirksamkeit solcher Lernumgebungen für das Erlernen von mathematischem Modellieren im Fokus sowie der Stellenwert mathematischer als auch fachbezogener Expertise. Darauf aufbauend wird untersucht, welchen Einfluss die instruktionale Gestaltung der Lernumgebung auf diesen Elaborationsprozess hat.