Naturwissenschaftsunterricht transdisziplinär und integriert – eine Utopie?

8. Schweizer Forum Fachdidaktiken Naturwissenschaften – 24. Januar 2014

2

Gliederung

Einleitung: Transdisziplinarität – Integrierter Unterricht

Naturwissenschaftliche Grundbildung und Bildungsstandards

Das Fach Naturwissenschaften (in NRW)

Kontexteffekte

Gendereffekte

Gelungenes Beispiel: HIGHSEA-Projekt in Bremerhaven

Unterrichtsmaterial

Zusammenfassung und Ausblick

Elke Sumfleth

3

Interdisziplinäres Arbeiten

Voraussetzungen Fachkompetenz in der eigenen Disziplin und das Wissen um deren

Stärken, Schwächen und Bedingtheiten

Toleranz und Akzeptanz gegenüber anderen Disziplinen

Wissen um die Handlungsformen anderer Disziplinen

Teamkompetenz und kommunikative Kompetenz (Defila & Giulio,1996, S. 130)

Interdisziplinarität ist ein herzustellender Zustand, eine spezifische, besonders voraussetzungsvolle Form wissenschaftlicher Kommunikation…, setzt einschlägiges disziplinäres Wissen voraus

(Kaufmann, 1987, S.70)

Elke Sumfleth

4

Von Multidisziplinarität zu Transdisziplinarität

Multidisziplinarität

Mehrere Disziplinen ohne Wechselwirkungen parallel zueinander - normaler Stundenplan mit unterschiedlichen Fächern

Interdisziplinarität

Interaktionen zwischen den beteiligten Disziplinen

Transdisziplinarität

Wechselbeziehungen zwischen den beteiligten Disziplinen führen zu inhaltlichen Veränderungen, Verschiebung von Disziplingrenzen oder neuen Disziplinen

Erfordert gemeinsame Fragestellung, Theorien, Methoden und Kriterien der Wissenschaftlichkeit, gemeinsame Sprache

Elke Sumfleth

5

Naturwissenschaftsunterricht transdisziplinär und integriert

FachüberschreitendEinbringen von Erkenntnissen aus einem anderen Fach

FächerverknüpfendKonzepte aus unterschiedlichen Fächern werden durch curriculare Absprachen systematisch verbunden

ThemenzentriertBetrachtung eines übergeordneten Themas aus den unterschiedlichen Perspektiven der einzelnen Fächer

IntegriertIntegrierte Entwicklung naturwissenschaftlicher Begriffe

Zeigt Parallelitäten zu Transdisziplinarität

Geeignet für naturwissenschaftliche Grundbildung?

Elke Sumfleth

Naturwissenschaftliche Grundbildung

Unterscheidung von Konzepten und Prozessen

Naturwissenschaftliche Grundbildung (nach PISA)

Naturwissenschaftliches Wissen anwenden Naturwissenschaftliche Fragen erkennen Schlussfolgerungen ziehen Umgehen mit Evidenzen Kommunizieren von naturwissenschaftlichen Inhalten

Enge Verzahnung der drei naturwissenschaftlichen Fächer durch gemeinsame Ziele und Arbeitsweisen Fortsetzung des Sachunterrichts der Primarstufe Nationale Bildungsstandards

ProzessbezogeneKompetenzen

6Elke Sumfleth

7

Nationale Bildungsstandards

Gemeinsame Kompetenzbereiche für die drei naturwissenschaftlichen Fächer Fachwissen

Erkenntnisgewinnung

Kommunikation

Bewertung

Sind die Kompetenzbereiche fachspezifisch oder naturwissenschaftsübergreifend?

Elke Sumfleth

Fachabhängigkeit der Bewertungskompetenz

Stichprobe: 777 SchülerInnen

Deviance: 16015.62

Separation Reliability: .994

EAP/PV Reliability:

Dim 1(außerfachlich): .47

Dim 2 (Chemie): .68

Dim 3 (Biologie): .65

Personenparameter

Dim 1: -2.76 – 4.47, MW: 2.04

Dim 2: -5.59 – 4.27, MW: .21

Dim 3: -4.81 – 5.44, MW: .51

.77 ≤ MNSQ ≤ 1.20

-3.5 ≤ T-Value ≤ 2.3

8

jedes,X‘ steht für 4.9 Fälle

Che

mie

Bio

logi

e

auße

rfach

lich

Elke Sumfleth

(Hostenbach & Walpuski, 2013)

Latente Korrelationen

Latente Korrelationen

Bei insgesamt niedrigen bivariaten Korrelationen (<.3) sind diejenigen zur außerfachlichen Anwendung von Bewertungsstrategien, zum Umgang mit Fachwissen und zu den kognitiven Fähigkeiten am größten.

Bewertungskompetenz ist abhängig von der Situation – fachspezifisch Schüler(innen) können besser außerfachlich Bewertungsstrategien

nutzen als in Chemie/Biologie

Was bedeutet das für ein Unterrichtsfach Naturwissen-schaft?

Außerfachlich Chemie Biologie

Außerfachlich 1 .547 .672

Chemie .547 1 .889

Biologie .672 .889 1

9Elke Sumfleth 9

(Hostenbach & Walpuski, 2013)

Das Fach ,Naturwissenschaft‘ (NRW)

Das Fach ,Naturwissenschaft‘ (NRW)

Erprobungsphase des Fachs Naturwissenschaft in NRW (Schuljahre 2003/2004 und 2004 /2005; > 70 Gymnasien; Jahrgangsstufen 5 und 6)

Integration chemischer, biologischer & physikalischer Inhalte

Grundlegende Ziele Anschlussfähige naturwissenschaftliche Grundbildung

Ganzheitliche Wahrnehmung naturwissenschaftlicher Phänomene

Interessenförderung

Prozess- und konzeptbezogene Kompetenzen eingebunden in verpflichtende Rahmenthemen

11Elke Sumfleth

Projekt

Vergleich der beiden unterschiedlichen Unterrichtstypen Naturwissenschaft versus Einzelfächer (Biologie und Physik) : Fachwissen Chemie Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen Interesse und Selbstkonzept (Biologie, Physik und Chemie) Unterrichtsmethoden des differenzierten und integrierten

Naturwissenschaftsunterrichts

Design

12

NW (integriert)

Bio (differenziert)

Bio & Physik (differenziert)

NW (integriert)Gruppe 1

Gruppe 2

5. Klasse 6. Klasse

Chemie & Bio (differenziert)

7. Klasse

1. Messzeitpunkt (Pre)

2. Messzeitpunkt (Post)

Ca. 600 Schülerinnen und Schüler aus 21 Klassen (21 Lehrkräfte)(ca. 300 Probandinnen und Probanden pro Gruppe)

Elke Sumfleth

13

Ergebnisse mit Blick auf den Unterricht

Forschungsfragen

Werden in einem integrierten Naturwissenschaftsunterricht andere Unterrichtsformen und –methoden fokussiert?

Beeinflusst das Studienfach der Lehrkraft im integrierten Naturwissenschaftsunterricht das fachliche, hier chemiebezogene Wissen der Schülerinnen und Schüler?

Elke Sumfleth

14

Angaben zum Unterricht

(Walpuski , geb. Klos & Sumfleth, 2012)

Vergleich von Unterrichtssituationen (Biologie / Naturwissenschaft)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

selbstständigExperimente

aufgebaut unddurchgeführt

Vorträge vomLehrer gehört

Referategemacht

Experimenteangeschaut, die

der Lehrervorgemacht hat

am Computergearbeitet

Pu

nk

te integrierteUnterrichtsform

differenzierteUnterrichtsform

Vergleich von Unterrichtssituationen (Physik / Naturwissenschaft)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

selbstständigExperimente

aufgebaut unddurchgeführt

Vorträge vomLehrer gehört

Referategemacht

Experimenteangeschaut, die

der Lehrervorgemacht hat

am Computergearbeitet

Pu

nk

te integrierteUnterrichtsform

differenzierteUnterrichtsform

Experimentelles Arbeiten

Elke Sumfleth 15

(Klos, 2008)

Skala "Experimentelles Arbeiten"

0

5

10

15

20

25

Vergleich Naturwissenschaft / Biologie Vergleich Naturwissenschaft / Physik

Pu

nkt

e

integrierteUnterrichtsform

differenzierteUnterrichtsform

Fachwissen Chemie integrierte Unterrichtsform – Lehrkraft

Elke Sumfleth 16

(Klos, 2008)

Ergebnisse im Fachtest (integrierte Unterrichtsform nach Studienfächer der Lehrkräfte)

98

100

102

104

106

108

110

112

integrierte Unterrichtsform:Lehrkraft mit Chemiestudium

integrierte Unterrichtsform:Lehrkraft ohne Chemiestudium

differenzierte Unterrichtsform

korr

igie

rter

Mit

telw

ert

Fac

hte

st

*

Ergebnisse des Lehrerfragebogens

Die meisten beteiligten Lehrkräfte waren Biologielehrkräfte, keine Physiklehrkraft

Liste der Schwierigkeiten kein geeigneter Unterrichtsraum

kein geeignetes Schulbuch

erhöhter Materialaufwand

erhöhter Zeitaufwand: Einarbeitung in fachfremde Themengebiete

erfordert Absprachen mit Kolleginnen und Kollegen und Fortbildungen

Die Umsetzung war sicherlich suboptimal

Elke Sumfleth 17

Effektbezogene Hypothesen und Forschungsfragen

Hypothesen:

Schülerinnen und Schüler, die zwei Jahre in dem Fach Naturwissenschaft unterrichtet worden sind… beherrschen grundlegende naturwissenschaftliche Arbeitsweisen besser besitzen mehr allgemein prozessbezogene Kompetenzen erlernen mehr chemisches Fachwissen

Weitere Forschungsfragen

Mindert oder stärkt das Fach Naturwissenschaft das Interesse an den Fächern Biologie, Physik und Chemie? das Selbstkonzept in den Fächern Biologie, Physik und Chemie?

Profitieren Mädchen oder Jungen unterschiedlich stark von einem integrierten Naturwissenschaftsunterricht?

Elke Sumfleth 18

19

Ergebnisse

Schülerinnen und Schüler, die zwei Jahre in dem Fach Naturwissenschaft integriert unterrichtet worden sind… beherrschen grundlegende naturwissenschaftliche Arbeitsweisen nicht

besser (NAW-Test)

besitzen nicht mehr allgemein prozessbezogene Kompetenzen

verfügen nicht über mehr chemisches Fachwissen

￭ haben kein höheres naturwissenschaftliches Selbstkonzept

￭ zeigen aber ein höheres Fachinteresse

zu Beginn der 7. Klasse als die Kontrollgruppe.(Klos, 2008)

Mögliche Ursachen für die Interessenseffekte?

Elke Sumfleth

Exkurs: Kontexteffekte

Elke Sumfleth 20

Kontexteffekt: Situationales Interesse

21

Haupteffekt des Kontextes auf

das situationale Interesse: F(2,153) = 5.95; p = .003, partielles ² = .072

Effekte Inhalt (a) > Effekte Inhalt (b)

Probanden stufen Inhalt (b) auch im nicht lebensweltlichen Kontext als interessant ein Inhalt F-Wert p-Wert Effektstärke

a (Struktur und Löslichkeit von Salzen) 11.47 .001 partielles ² =.069

b (Struktur und Eigenschaft von Wasser) 5.37 .034 partielles ² =.032 Wasser ist gleichzeitig Kontext und Inhalt

Elke Sumfleth

(Kölbach & Sumfleth, 2013)

Kontexteffekt: Situationales Interesse Chemie versus Biologie

22

Haupteffekt des Kontextes auf das situationale Interesse: F(3,134) = 3.61; p = .015, partial ² = .075 Effekte Inhalt (a) > Effekte Inhalt (b) > Effekte Inhalt (c) Probanden stufen Inhalt (b) und

(c) auch im nicht lebenswelt- lichen Kontext als interessant einInhalt F-Wert p-Wert Effektstärke

a (Struktur und Löslichkeit von Salzen) 9.12 .003 partielles ² = .063

b (Struktur und Eigenschaft von Wasser) 4.05 .046 partielles ² = .029

c (Hormone) 3.55 .062 partielles ² = .025

Elke Sumfleth

(Kölbach & Sumfleth, 2013)

Kontextorientierung und Relevanz

23

Haupteffekt des Kontextes auf

die empfundene Relevanz des Themas: F(3,129) = 7.90; p < .001, partielles ² = .155

Effekte nur durch Inhalt (a) hervorgerufen: F(1,131) = 21.76; p < .001, partielles ² = .141

Inhalte (b) und (c) werden auch im nicht lebensweltlichen Kontext als relevant eingestuft Kein Haupteffekt: F(1,131) < 1

Elke Sumfleth

Schlussfolgerungen

Effekte des Kontextes hängen auch vom Inhalt ab.

Lässt sich diese Idee auf das Fach Naturwissenschaft übertragen?

Elke Sumfleth 24

Inhalt

Kontext

Inhalt

Kontext

Salze Wasser

Vermutung:

je weiter entfernt Kontext und Inhalt sind, desto größer ist der Interessenseffekt

desto größer ist der Effekt auf die Relevanz

Zurück zum Unterrichtsfach NaturwissenschaftGendereffekte

Elke Sumfleth 25

Gendereffekte

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Biologie Chemie Physik

Pu

nkt

e

Mädchen Jungen

******

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Biologie Chemie Physik

Pu

nk

te

Mädchen Jungen

*** ***

Elke Sumfleth 26

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Biologie Physik Naturwissenschaft

Pun

kte

Mädchen Jungen

** ** n.s.

Sachinteresse

Fachinteresse

Selbstkonzept

(Klos, 2008)

27

Interessenentwicklung in Klasse 7

Elke Sumfleth

Anfang Kl. 7 Ende Kl. 7

Messzeitpunkte

8

9

10

11

12

13

14

Mit

telw

ert

Unterrichtsformintegrierte Unterrichtsform

differenzierte Unterrichtsform

Interessensabnahme Chemie

Anfang Kl. 7 Ende Kl. 7

Messzeitpunkte

8

9

10

11

12

13

14

Mit

telw

ert

Unterrichtsformintgerierte Unterrichtsform

differenzierte Unterrichtsform

Interessenabnahme Biologie

Anfang Kl. 7 Ende Kl. 7

Messzeitpunkte

8

9

10

11

12

13

14

Mit

telw

ert

Unterrichtsformintegrierte Unterrichtsform

differenzierte Unterrichtsform

Interessenabnahme Physik

(Klos, 2008)

28

Gendereffekte – Unterrichtsfach Naturwissenschaft

Elke Sumfleth

integrierte Unterrichtsform differenzierte Unterrichtsform

Unterrichtsform

21

22

23

24

ko

rrig

iert

er

Mit

telw

ert

Geschlechtmännlich

weiblich

Punkte im NAW-Test

integrierte Unterrichtsform differenzierte Unterrichtsform

Unterrichtsform

102

104

106

108

110

112

ko

rrig

iert

er

Mit

telw

ert

Geschlechtmännlich

weiblich

Punkte im Fachtest Chemie

Interaktionseffekt (signifikant)p = .014 F(1; 567) = 6.054, Eta² = .011

Ende der Klasse 7 ist der Interaktions-effekt nicht mehr nachweisbar, aber Mädchen besser als Jungen

Parallele Entwicklung im Laufe der Klasse 7

(Klos, 2008; Klos, Henke, Kieren, Walpuski & Sumfleth, 2008)

Ein weiteres Beispiel:

Das HIGHSEA-Projekt in Bremerhaven

Das HIGHSEA-Projekt

HIGHSEA-Projekt am AWI in Bremerhaven

22 Schülerinnen und Schüler des 11. Jahrgangs werden in 2½ Jahren in den Fächern Biologie (LK), Chemie, Mathematik und Englisch in einem themenzentrierten, fächerübergreifenden Projektunterricht zum Abitur geführt.

Ziele des Projekts Nachhaltige Förderung der naturwissenschaftlichen Fähigkeiten Unterstützung des Interesses Nachwuchsförderung

Hypothese

Höhere experimentell-naturwissenschaftliche Fähigkeiten der Projekt-gruppe als bei vergleichbaren Schülerinnen und Schülern in Bremerhaven

Elke Sumfleth 30

31

Design der Evaluation

Elke Sumfleth

Parallelisierung überKFT

TIMSSMotivation & Interesse

HIGHSEA Schüler/innen

N=21

Vergleichs-schüler/innen

N= 21 von ca.180

Vergleich der Gruppen (pre-post) hinsichtlich naturwissenschaftlicher/experimenteller Kompetenz Motivation und Interesse an den Naturwissenschaften Fachwissen

Veränderung der NAW-Testergebnisse über ein Schuljahr

Haupteffekte

Gruppenzugehörigkeitp < .05 F(1;36) = 5,774Eta² = .138

Messzeitpunkt

p < .001 F(1;36) = 52,166Eta² = .592

Interaktionseffekt:Gruppe * Messzeitpunktp = .001 F(1;36) = 13,932Eta² = .279

Elke Sumfleth 32

Sind die Schüler zu jung?

Wissen über naturwissenschaftlich- experimentelles Arbeiten – Jahrgangsstufe 5

Raschanalyse (ConQuest) Gesamtsample (N=1134)EAP / PV Reliabilität =.766Varianz: 1.347

119 von 140 Items:

0.75 < weighted MNSQ < 1.2 -2 < T-Wert < +2

discrimination über .20

Modellpassung gegeben

Test ist tendenziell zu schwierig für das Gesamtsample

Elke Sumfleth34

(Mannel, Walpuski & Sumfleth, eingereicht)

Ergebnisse für das Gymnasium und Hauptschule

Gymnasium Hauptschule

Nachkonstruktion leichterer Items Einsatz der Aufgaben in der siebten Jahrgangsstufe

Elke Sumfleth35

(Mannel, Walpuski & Sumfleth, eingereicht)

Ergebnisse einer Folgestudie in Jahrgangsstufe 7

GesamtsampleGymnasium Hauptschule

Elke Sumfleth36

(Mannel, 2011)

Unterrichtsmaterial für den integrierten Anfangsunterricht

38

Prinzipien der Materialentwicklung

Elke Sumfleth

Berücksichtigung der vier Kompetenzbereiche der nationalen Bildungsstandards

Berücksichtigung der Vorgaben der Bundesländer

Schülerarbeitsmaterial und Lehrerbegleitbögen

Farbliche und symbolische Markierung der Materialien mit Blick auf die zu fördernden Kompetenzen

(Hübinger, Emden, & Sumfleth, 2009)

Unterschiedliche Kompetenzbereiche

Kompetenzbereich Fachwissen

Inhaltsbereiche zum Thema Wasser

Breite Abstimmung auf curriculare Vorgaben

Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung

Unterschiedlich eng geführte Schülerexperimente

Strukturierungstraining

Kompetenzbereich Kommunikation

Fokussierung auf Lesen und Konstruieren schematischer Darstellungen

Kompetenzbereich Bewertung

Erste Schritte zur Bewertung: Individuelle Betroffenheit

Unterschiedliche PerspektivenElke Sumfleth 39

(Emden & Sumfleth, 2009)

ZusammenfassungFächer versus Naturwissenschaften

Formale Rahmenbedingungen Änderung von Organisationsstrukturen und Inhalten Lehrerausbildung - Überwiegend fachfremd erteilter Unterricht Chemieunterricht Physikunterricht Biologieunterricht

Konsequenzen für Unterricht Komplexität der Problemsituation – cognitive load - Interesse Akzentuierung der Unterschiede versus Erkennen von Gemeinsamkeiten Exemplarisch versus systematisch Horizontale versus vertikale Vernetzung

Aber: Unterrichtsqualität vermutlich wichtiger als die Auswahl inhaltlicher Beispiele

40Elke Sumfleth

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Vielen Dank für die erfolgreiche ZusammenarbeitMarkus Emden Eva Kölbach Christian Henke Susanne MannelJulia Hostenbach Maik WalpuskiRegina Hübinger Silke Walpuski, geb. Klos

Vielen Dank für die finanzielle Unterstützung

nwu-essen Entwicklung derFG + GK Materialien

Kontakt:elke.sumfleth@uni-due.dewww.nwu-essen.dehttp://www.uni-due.de/ chemiedidaktik/ 09_forschung_agsumfleth.shtmlelke.sumfleth@uni-due.de