wissenschaftliches denken im kindes- und jugendalter: entwicklungsbedingungen und...
Post on 05-Apr-2015
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Wissenschaftliches Denken im Kindes- und Jugendalter:
Entwicklungsbedingungen und Fördermöglichkeiten
Elsbeth Stern
Max-Planck-Institut für Bildungsforschung
Der schlimmste Satz in der Bildungsgeschichte: Lernen lernen
statt Wissen aneignen
Formale Bildung: Geistiges Training durch Latein, wahlweise Gehirnjogging?
Problem aller westlichen Industrieländer: Trotz aufwändiger Lerngelegenheiten gibt es massive
Defizite im naturwissenschaftlichen Verständnis
Ursachen
• Ungünstige schulische Lernbedingungen in der Mittelstufe
• Suboptimale Vorbereitung in der Grundschule
Defizite zeigen sich insbesondere in der angemessenen Verwendung physikalischer Konzepte bei der
Erklärung physikalischer Vorgänge
Der große Bruder Peter und die kleine Schwester Susanne messen ihre Kräfte, indem sie gegeneinander drücken. Keiner vonbeiden fällt um.
Welcher Satz stimmt?
•Peter übt eine größere Kraft aufSusanne aus als Susanne auf Peter. •Susanne übt eine größere Kraft aufPeter aus als Peter auf Susanne.•Peter und Susanne üben gleichgroße Kräfte aufeinander aus.
Ursachen für defizitäres physikalisches Wissen im
Kindesalter
• Generelle Entwicklungsdefizite (Piaget: Zentrierung, Neo-Piagetianer: geringe Arbeitsspeicherkapazität)
• Spezifische Wissensdefizite (charakteristische statt definitorische Merkmale beim Begriffswissen, animistische Erklärungsmodelle)
Konsequenzen eines wissensbasierten Entwicklungsmodells: frühzeitig am
Wissen arbeiten
Konsequenzen eines wissensbasierten Entwicklungsmodells: berücksichtigen, dass Begriffslernen ein konstruktiver Prozess ist
Grundlagen konstruktivistischer Lerntheorien
• Eingehende Information wird an bestehendes Wissen angeknüpft. Vorwissen ist entscheidend.
• Zu Fehlvorstellungen kommt es, weil Menschen die Tendenz haben, aus allem Sinn zu machen.
• Verstehen (Begriffserwerb) kann durch die Lernumgebung angeregt werden, indem das zugrunde liegende bereits verfügbare Wissen aktiviert wird (Beispiel Wal).
• Direkte Instruktion kann Verstehensprozesse auslösen, wenn das zugrunde liegende Wissen bereits verfügbar ist und zuvor aktiviert wurde.
Konsequenzen eines wissensbasierten
Entwicklungsmodells
• Akademisches Wissen ist untrennbar mit der anspruchsvollen Nutzung von Repräsentationsformen verbunden
Kombination aus Piaget und Vygotski: Inhalte werden über einen
aktiven Konstruktionsprozess mit Hilfe von Symbolsystemen
(Repräsentationsformen) erworben.
Expertenwissen in Physik zeichnet
sich aus durch 1. Angemessene verbale Problembeschreibung
2. mathematisch-formale Konzeptualisierbarkeit (Kraft=Masse x Beschleunigung)
3. semi-abstrakte Problemskizzen unter Ausnutzung des Raumes zur Abbildung nicht-räumlicher Zusammenhänge (graphisch-visuelle Veranschaulichungen)
(a) Dasjenige, das den Fluss ohne Strömung überquert.
(b) Dasjenige, das den Fluss mit Strömung überquert
(c) Beide Boote erreichen das andere Ufer zur selben Zeit
Stell Dir vor wir haben zwei identische Flüsse mit zwei identischen Booten, die ver-suchen, den Fluss zu überqueren. Der einzige Unterschied ist, dass in einem Fluss eine Strömung herrscht und im anderen nicht. Beide Boote haben den selben Motor und legen zur selben Zeit ab. Welches Boot kommt zuerst am anderen Ufer an?
Strömung
Keine Strömung
Barbara White:Semi-abstrakte Thinker Tools
Graphisch-visuelle Kompetenz bedeutet Kenntnis der Möglichkeiten (Affordances) und Einschränkungen (Constraints) im Umgang mit Symbolsystemen.
EnhancingkNowledge Transfer and Efficient Reasoning by Practicing Representation In Science Education
Anja Felbrich, Ilonca Hardy, Susanne Koerber, Catrin Rode,Elsbeth Stern
Externe Kooperationspartner aus BIQUA: Eva Blumberg, Angela Jonen, Kornelia Möller
5. Schwimmt ein großer Baumstamm im Wasser?
Fünf starke Männer können ihn nicht hochheben.
Der Baumstamm schwimmt Der Baumstamm geht unter
Warum?
Kinder denken
• Es liegt nur am Gewicht
• Luft zieht Gegenstände nach oben
• Wasser saugt Gegenstände nach unten
Kinder sollen lernen
• Luft spielt keine Rolle
• Volumen und Masse sind entscheidend
• Wasser saugt nicht, sondern drückt gegen Gegenstände, die wiederum gegen das Wasser drücken
16. Ein Schiff aus EisenEin Schiff aus Eisen geht im Meer nicht unter. Warum?
Der Motor hält das Schiff oben.
Das Schiff wird vom Wasser nach oben gedrückt.
Die Luft zieht das Schiff nach oben.
Das Schiff ist innen hohl.
Im Meer ist so viel Wasser.
Wenn das Schiff bis zum Rand eingetaucht wird, wiegt das
weggedrängte Wasser weniger als das Schiff.
Wenn das Schiff bis zum Rand eingetaucht wird, wiegt das
weggedrängte Wasser mehr als das Schiff.
Kugeln im Wasserglas
Hier sind vier gleich große Kugeln.Sie sind unterschiedlich schwer.Wie hoch steigt das Wasser im Glas bei jeder Kugel?Zeichne jeweils den Wasserstand ein.
So hoch steigt das
Wasser, wenn man die rote Kugel in das
Glas legt.
40g 90g 80g 20g
Kugeln im Wasserglas
Hier sind vier gleich große Kugeln.Sie sind unterschiedlich schwer.Wie hoch steigt das Wasser im Glas bei jeder Kugel?Zeichne jeweils den Wasserstand ein.
So hoch steigt das
Wasser, wenn man die rote Kugel in das
Glas legt.
40g 90g 80g 20g
Ein Metalldraht wird ins Wasser getaucht. Was passiert?
geht unter steigt nach oben
weil er sich festhält.
weil das weggedrängte Wasser weniger wiegt als der Metalldraht.
weil er so lang und dünn ist.
weil das weggedrängte Wasser mehr wiegt als der Metalldraht.
weil er aus Metall ist. weil er vom Wasser nicht stark genug nach oben gedrückt wird. weil er so leicht ist.
Ein Metalldraht wird ins Wasser getaucht. Was passiert?
geht unter steigt nach oben
weil er sich festhält.
weil das weggedrängte Wasser weniger wiegt als der Metalldraht.
weil er so lang und dünn ist.
weil das weggedrängte Wasser mehr wiegt als der Metalldraht.
weil er aus Metall ist. weil er vom Wasser nicht stark genug nach oben gedrückt wird. weil er so leicht ist.
Styrop
or
Kork
Holz
Was
ser
TonSte
inEise
n
Trainingsexperiment
Effekte unterschiedlicher Repräsentationsformen für das konzeptuelle
Verständnis von Dichte bei Grundschulkindern
geringes konzeptuelles, evtl. proportionales Verständnis
konzeptuelles Verständnis
konzeptuelles und proportionales Verständnis
quantitative
Vergleiche
qualitative
Vergleiche
quantitative und qualitative
Vergleiche
NumerischGewicht: 4 Gewicht: 8
Größe: 1 Größe: 2
Kontrollgruppe
(N=16)
Matrixgruppe
(N=16)Balkenwaagen-gruppe (N=17)
Desígn und Hypothesen
10. Würfel im Wasser
Du siehst drei Würfel im Wasserbecken. Sie sind aus unterschiedlichen Materialien.
Welcher Würfel ist aus den schwersten Material?
Kreuze an:
Der rote Würfel der blaue Würfel der grüne Würfel
Welcher Würfel ist aus dem leichtesten Material?
Kreuze an:
Der rote Würfel der blaue Würfel der grüne Würfel
9. Bootsaufgabe Diese zwei Boote sind gleich schwer. Nur eines der beiden Boote kann einen schweren Schatz tragen. Achtung: Beide Boote sind gleich stabil.
Welches Boot kann den schweren Schatz tragen?
das große Boot das kleine Boot Warum? Kreuze alle richtigen Erklärungen an. Weil in diesem Boot mehr Luft ist. Die zieht das Boot mit dem Schatz besser nach oben. Weil das Wasser bei diesem Boot so stark drücken kann. Weil das Wasser dieses Boot nicht so leicht nach unten saugen kann. Dieses Boot kann mehr Wasser wegdrängen. Deshalb kann das Wasser stärker drücken. In dieses Boot passt der Schatz besser rein.
Unterschiede im konzeptuellen Verständnis Abgelehnte Fehlkonzepte
20
22
24
26
28
30
32
34
Balkenwaage Matrix Kontrollgruppe
Ank
reuz
verh
alte
n
Posttest
Prätest
Unterschiede im konzeptuellen Verständnis II
Physikalische Erklärungen (Dichte, Auftrieb)
0
1
2
3
4
5
6
7
Balkenwaage Matrix Kontrollgruppe
Ank
reuz
verh
alte
n
Posttest
Prätest
Unterschiede im konzeptuellen Verständnis III
Materialkonzept
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Balkenwaage Matrix Kontrollgruppe
An
kre
uzv
erh
alt
en
Posttest
Prätest
Nach 6 Monaten
• ... weisen die Repräsentationsgruppen deutlich mehr Fehlvorstellungen zurück als die Kontrollgruppe.
• .... zeigt die Balkenwaagengruppe das beste proportionale Verständnis.
Dissertation Susanne KoerberKlasse 4
2 3
4 5
6 9
3 4
4 6
Welche Mischungen von den großen Behältern gehören zu der Mischung im kleinen Behälter?kleiner großeBehälter Behälter
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Welche Mischungen von den großen Behältern gehören zu der Mischung im kleinen Behälter?kleiner großeBehälter Behälter
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Welche Mischungen von den großen Behältern gehören zu der Mischung im kleinen Behälter?kleiner großeBehälter Behälter
1 2 3 4 5 6
ORANGENSAFT
6
5
4
3
2
1
ZITRONENSAFT
Testzeitpunkt bezogen auf das Training
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Vor Mitte Nach 2 Jahre später
An
zah
l gel
öste
r A
ufg
aben
GraphBalkenwaageBaseline
Kleines Wort mit großer Wirkung
PRO
1 2 3 4 5
Zeit in Stunden
5
4
3
2
1
WEG
IN
KM
TIMS/III Aufgabe: Die Beschleunigung eines sich geradlinig bewegenden Objektes kann bestimmt
werden aus
• Der Steigung des Weg-Zeit-Graphen• Der Fläche unter dem Weg-Zeit-Graphen• Der Steigung des Geschwindigkeits-Zeit-
Graphen• Der Fläche unter dem Geschwindigkeits-Zeit-
Graphen• Lösungsrate bei Abiturienten • mit Leistungskurs Mathematik: 50% • mit Grundkurs Mathematik: immerhin 44%
Guter naturwissenschaftlicher Unterricht ...
• Beginnt mit einer Frage, die die Schüler interessiert• Ermutigt Schüler, Wissen zu aktivieren, welches
zur Beantwortung der Frage herangezogen werden könnte
• Nicht zielführendem Wissen wird besondere Aufmerksamkeit geschenkt (Fehlerkultur)
• Bietet Schülern Erfahrungen und Denkwerkzeuge an, – die ihnen die Grenzen ihres nicht zielführenden Wissens
aufzeigen
– die den Aufbau von zielführendem Wissen unterstützen
Bei der Planung von Curricula zu beachten:
• Fragen müssen für Kinder intellektuell (nicht unbedingt lebensweltlich) interessant sein
• Die angestrebten Erklärungen müssen auf dem Sprachniveau der jeweiligen Altersgruppe kommunizierbar sein
• Wo kann man guten Gewissens aus wissenschaftlicher Sicht nicht zulässige Vereinfachungen vornehmen?
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