Wissenschaftliches Denken im Kindes- und Jugendalter: Entwicklungsbedingungen und...

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

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


Ank

reuz

verh

alte

n

Posttest

Prätest

Unterschiede im konzeptuellen Verständnis III

Materialkonzept

0

1

2

3

4

5

6

7

8


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

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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