Der Verfasser formuliert und begründet Gestaltungsprinzipien interaktiver Lernumgebungen und setzt den Prozess der Realisierung, Erprobung und Evaluation computergestützter, kognitiver Lernwerkzeuge (Mindtools) im mathematisch- naturwissenschaftlichen Unterricht um. Die Perspektive der Studie ist dabei primär medieninformatisch und didaktisch. Eine differenzierte Reflexion des Medienbegriffs im Hinblick auf die expressive Funktion interaktiver Medien in Lehr-/Lernszenarien bereitet die Realisierung zweier Modellierungssprachen für Teilgebiete der Stochastik (CoSE) bzw. Genetik (EvoGene) vor. Besondere Berücksichtigung finden dabei aktuelle Fachcurricula, die die Bedeutung der prozessbezogenen Kompetenzen Modellieren, Problemlösen, Kommunizieren und Werkzeuggebrauch betonen, ohne den effektiven Gebrauch digitaler Medien zu verankern. Die Forderung problemorientierten Lernens wird im angeleiteten, entdeckenden Lernen mit interaktiven Medien in hentischen Kontexten realisiert. Dynamische Modelle zur Simulation und Analyse von Experimenten aus Stochastik und Genetik ermöglichen eigenständiges Lernen durch Experimentieren. Kooperative Fähigkeiten der Lernenden werden in besonderer Weise durch gemeinsames Modellieren und Problemlösen gestärkt. Die Lernszenarien werden maßgeblich durch computerorientierte, visuelle Modellierungssprachen geprägt, deren Expressivität und heuristische Kraft ko-konstruktives Lernen fördert. Die durchgeführten Evaluationen folgen dem Paradigma der Aktionsforschung und intendieren die Weiterentwicklung der schulischen Praxis. Dazu dient die Spezifikation eines Prozessmodells zur iterativen Entwicklung interaktiver Medien und deren Integration in den Schulalltag. Der von Forschern, Lehrern und Entwicklern mit ihren komplementären Expertisen getragene partizipative Designprozess führt neben den konkreten Lernwerkzeugen und -szenarien zu einer in hentischen, schulischen Lernsituationen entstandenen, reichhaltigen Erfahrungsbasis. Ergebnis der Evaluation, die qualitative und quantitative Methoden verbindet, sind erweiterte Erkenntnisse über Lehr- und Lernprozesse beim Einsatz kollaborativer, kognitiver Lernwerkzeuge und die Bereicherung schulischer Praxis durch eine Stärkung von Schülerorientierung und Kommunikation sowie durch innovative Unterrichtsgestaltung. Die praktische Bedeutung für die Unterrichtsentwicklung liegt darüber hinaus in der Elaboration von kooperativen Einsatzszenarien der interaktiven Medien und spezifischen Unterstützungswerkzeugen zur Orchestrierung des Unterrichtsgeschehens.