Theoriegeleitete Förderung von Kompetenzen im Bereich Erkenntnisgewinnung

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1 Theoriegeleitete Förderung von Kompetenzen im Bereich Erkenntnisgewinnung vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion über Kompetenzmodelle Dr. Marcus Hammann Didaktik der Biologie Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften -- IPN

2 Wie gut experimentieren deutsche Schülerinnen und Schüler? Wie auch im Bereich der Physik ist ein Verständnis experimentellen Arbeitens und naturwissenschaftlichen Argumentierens in der Biologie so gut wie nicht entwickelt. Die Prinzipien selbst einfachster experimenteller Anordnungen verstehen bis zum Ende der 8. Klasse nach den Befunden von TIMSS nur etwa Prozent eines Jahrgangs. BAUMERT (1997)

3 Defizite beim Planen von Experimenten Eine Schülerin vermutet: Mineralstoffe sind für das Wachstum notwendig Um ihre Vermutung zu kontrollieren, braucht sie noch eine weitere Pflanze. Welche der folgenden sollte sie nehmen? TIMSS 1997

4 Übersicht Aktuelle Bezüge Klieme Expertise (2003) Bildungsstandards Mittelstufe (2004) Kerncurriculum Oberstufe (2004) Kompetenzen beim Experimentieren SDDS Modell (Klahr 2000) Entwicklungsverläufe Einfluss des Vorwissens über Inhalte Kompetenzmodelle Konsequenzen für den Unterricht allgemeine Definition Konkretisierung Bedeutung für Forschung und Unterricht

5 Bildungsstandards... Kompetenzen... Kompetenzmodelle... normierte Aufgaben... Outputsteuerung kognitive Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen evidenzbasierte Förderung von Kompetenzen Diagnostik und Rückmelden von Kompetenzzuwachs Qualitätssicherung und vergleichende Leistungsmessung E. KLIEME: Zur Entwicklung nationaler Bildungsstandards (2003)

6 Bildungsstandards Mittelstufe Basale Konzepte im Fach Biologie Kompetenzbereiche im Fach Biologie System Struktur Eigenschaft Entwicklung Fachwissen Erkenntnisgewinnung Kommunikation Bewerten BAYRHUBER, FRANK et al. (2004)

7 Kerncurriculum und Standards für die Gymnasiale Oberstufe Basale Konzepte im Fach Biologie Struktur und Funktion System und Systemebene Entwicklung Kompetenzen im Fach Biologie Konvergentes Denken Divergentes Denken Denken in Systemen Denken in mentalen Modellen fächerübergreifendes Denken nat.wiss. Argumentieren Verbalisierung von Sachverhalten Bewerten Umgang mit Grafen Umgang mit quantitativen Größen HARMS, MAYER, HAMMANN, BAYRHUBER, KATTMANN (2004)

8 Wissenschaftspropädeutik Wissenschaftspropädeutik besitzt nicht nur instrumentelle Bedeutung, um Lernprozesse zu befördern, sie dient darüber hinaus einem bildungstheoretischen Anspruch. (Kerncurriculum Oberstufe) Teilaspekte: naturwissenschaftliche Denkweisen naturwissenschaftliche Arbeitsweisen Natur der Naturwissenschaften Wissenschaft und Gesellschaft

9 Kompetenzen beim Experimentieren Experimentieren als komplexes Problemlösen Suche im Hypothesen-Suchraum Suche im Experimentier-Suchraum Datenanalyse Hypothesen bilden, ausschärfen, revidieren Variablen festlegen und aussagekräftige Experimente planen Analyse der Übereinstimmung zwischen erwarteten Ergebnissen und tatsächlichen Evidenzen SDDS-Modell: Scientific Discovery as Dual Search (KLAHR 2000)

10 Wie planen Schüler Experimente?

11 Wie planen Schüler Experimente?

12 Wie planen Schüler Experimente? failure to seek disconfirmation (KLAYMAN & HA 1987) from an engineering model to a science model of experimentation (SCHAUBLE & KLOPFER 1991)

13 Entwicklungsverläufe beim Experimentieren Verständnis über den Sinn eines Experiments - Effekte erzielen Ursachen erklären Ingenieur Naturwissenschaftler Methodisches Wissen - unsystematisch systematisch Change all Local chaining planmäßiger Umgang mit Variablen - Vermutungen bestätigen Hypothesen kritisch (confirmation bias) überprüfen

14 Kompetenzmodelle: Grundlegende Merkmale Kompetenzmodelle analysieren Kompetenzstrukturen Aspekte oder Dimensionen einer Kompetenz... beschreiben Kompetenzstufen Entwicklungsgrade... berücksichtigen bereichsspezifisch vs. naturwissenschaftliche Inhalte bereichsübergreifend... sind evidenzbasiert Fachdidaktik Allgemeine Pädagogik Entwicklungspsychologie päd. Psychologie

15 Beispiele für Kompetenzmodelle V V 661 IV 553 III 497 II 421 V Konzeptuell und prozedural (Modelle) IV Konzeptuell und prozedural III Funktional (naturwissenschaftliches Wissen) II Funktional (naturwissenschaftliches Alltagswissen) Biologisches Verständnis I I Nominell BYBEE (2002) Alltagsvorstellungen

16 Kompetenzstufen zur Leistungsmessung V V 661 IV 553 III 497 II 421 I 638 (.36 /.22) Frage 1: Semmelweis Tagebuch Nimm an, Du wärst Semmelweis. Nenne einen Grund dafür (ausgehend von den Daten, die Semmelweis gesammelt hat), dass Erdbeben als Ursache für Kindbettfieber unwahrscheinlich sind. Anzahl der Todesfälle Erste Station Zweite Station

17 Kompetenzstufen beim Hypothesenbilden Stufe 1: keine Hypothesen beim Experimentieren Stufe 2: unsystematische Suche nach Hypothesen Stufe 3: systematische Hypothesensuche, aber fehlerhafte Hypothesenrevision Stufe 4: systematische Hypothesensuche sowie erfolgreiche Hypothesenrevision

18 Kompetenzstufen beim Planen von Experimenten Stufe 1: unsystematischer Umgang mit Variablen Stufe 2: teilweise systematischer Umgang mit Variablen Stufe 3: systematischer Umgang mit Variablen in bekannten Wissensdomänen Stufe 4: systematischer Umgang mit Variablen in unbekannten Wissensdomänen

19 Kompetenzstufen bei der Datenanalyse Stufe 1: Daten werden nicht auf Hypothesen bezogen Stufe 2: unlogische Datenanalyse Stufe 3: weitgehend logische Datenanlyse, aber Probleme mit Daten, die den eigenen Erwartungen widersprechen Stufe 4: logische Datenanalyse, auch wenn die Daten den eigenen Erwartungen widersprechen

20 Kompetenzprofile data analysis hypothesis space experiment space Schüler1 Schüler2 Schüler3

21 Konsequenzen für den Unterricht minds-on nicht nur hands-on - problemorientierte Experimentieranlässe - Lernende bilden Hypothesen, planen Experimente, analysieren Daten - kein mechanisches Abarbeiten von Experimentieranleitungen - Lernende kognitiv aktivieren z.b. POE: predict -- observe -- explain - Verständnis von Inhalten und Erkenntnismethoden gemeinsam vertiefen

22 Konsequenzen für den Unterricht experimentellen Unterricht öffnen

23 Konsequenzen für den Unterricht experimentelle Kompetenzen kumulativ fördern Berücksichtigung von Schülervorstellungen über die experimentelle Methode gezielte Maßnahmen für den Übergang von einer Kompetenzstufe zur nächsten Stufe

24 Konsequenzen für den Unterricht Kompetenzzuwachs erfahrbar machen Rückmeldung von Lernfortschritten höhere Dichte an Lerngelegenheiten im Unterricht Formative und summative Evaluation Haben die Lernenden eine bestimmte Kompetenzstufe auch wirklich erreicht? Gezielter Einsatz von Evaluationsmethoden (paper und pencil test, Beobachtung, computer-based assessment)

25 Konsequenzen für den Unterricht Formative und summative Evaluation Peter experimentiert mit verschiedenen Teigmischungen. Welche Vermutung will er überprüfen? Experiment 1 Experiment 3 Experiment 2

26 formative und summative Evaluation Originalrezept Butter Zucker Ausszugsmehl Johns Rezept: Margarine Honig Vollkornmehl (Tschirigi 1980)

27 Making bread Item 1: Search in the experiment space Hypothesis: = Great cake?

28 Making bread Item 1: Search in experiment space Which one experiment can be used to test John s idea? Experiment Experiment Experiment 3 + +

29 X

30 X

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