Fördern konzeptueller Entwicklungen von Kindern im naturwissenschaftlichen Unterricht

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1 Fördern konzeptueller Entwicklungen von Kindern im naturwissenschaftlichen Unterricht Prof. Dr. Kornelia Möller Seminar für Didaktik des Sachunterrichts Universität Münster

2 Gliederung Was denken Kinder über Phänomene und Probleme aus Natur und Technik? Einige Beispiele Conceptual Change Theorien und konstruktivistische Ansätze Zu welchen Veränderungen sind Grundschulkinder bei entsprechender Förderung fähig? Wie kann die Lehrkraft solche Prozesse unterstützen? Folgerungen für die Lehreraus- und -fortbildung...

3 Beispiele zum Thema Regen Wie kommt es eigentlich, dass es regnet? Die Engel weinen, wenn man böse ist. (5,8) Woher kommen die Wolken? Von ganz viel Qualm. Woher kommt der Qualm? Von Bierfabriken und normalen Fabriken. Was ist denn, wenn keine Fabriken da sind, zum Beispiel auf einem Feld oder über dem Meer? Oh! Das weiß ich nicht Wenn man,, wie sagt man das? Hm,.., wie heißt das? Ja.. Stroh schlägt, wie man das früher gemacht hat. Oder wenn man mit dem Staubwedel zu Hause wedelt, dann kommt auch ganz viel Qualm. (6,10)

4 Fortsetzung Beispiele Wie kommt es eigentlich, dass es regnet? Weil die Wolke zuviel Wasser drin hat. Die muss genauso Pippi wie wir auch. Wenn sie es nicht mehr aushält, muss sie halt platzen. (7,8) Woher kommen die Wolken? {unsicher] Aus dem Boden von der Sonne Wie geschieht das? {etwas sicherer) Wenn es regnet, dann saugt die Sonne das Wasser aus dem Boden und es verdampft... (9,11)

5 Welche Denkmechanismen sind zu erkennen anhand dieser Beispiele?

6 Wie denken Kinder? Magisch-mythisches Deuten Die Technik macht! (technischer Artifizialismus) Der Mensch macht! (anthropomorpher Artifizialismus) Die Natur macht! (natürlicher Artifizialismus) Analogien bilden: Wolke = Nebel Assimilieren mit Hilfe vorhandener Vorstellungen und Rahmentheorien

7 Wie kommt es, dass es regnet? (Etzhold) D0: Keine Aussage, D1: Nicht belastbare Aussage, D2: Ausbaubare Aussagen, D3: Angemessene Deutung 15 Anzahl der Kinder Kl. 2. Kl. Kiga. 0 D0 D1 D2 D3 4. Kl Kl Kiga Kategorie

8 Aufgabe von Unterricht Veränderung von Vorstellungen anregen Ziele: Belastbare Vorstellungen entwickeln Vorstellungen von größerer Reichweite erreichen Stabilere Vorstellungen erreichen Integriertere Vorstellungen erreichen Anwendungsfähige Vorstellungen erreichen

9 Veränderung von gedanklichen Vorstellungen (Konzepte) ein schwieriger Prozess! Warum so schwierig? Oft sind Überzeugungen tief verwurzelt (Kultur, Erfahrung) Aufgeben von Vorstellungen fällt schwer Häufig sind die neuen Vorstellungen nicht überzeugend (wissen, aber nicht glauben) Auch bei Veränderung von Vorstellungen bleiben alte Vorstellungen häufig parallel erhalten...

10 Deshalb: Häufig (meistens) kein Auswechseln von falschen gegen richtige Vorstellungen... Sondern: Allmähliche Veränderung von Vorstellungen Häufig noch mit begrenzter Reichweite Häufig noch nicht vollständig integriert Häufig behalten frühere Vorstellungen in gewissen Anwendungsbereichen noch ihre Gültigkeit

11 Verändern von gedanklichen Vorstellungen In der Lernpsychologie häufig bezeichnet als: Conceptual Change = Konzeptuelle Veränderung

12 Nicht alle Conceptual Change Prozesse sind gleichartig! Unterscheidung zwischen harten und weichen Conceptual Change Prozessen: Harte Prozesse: Vorhandene Vorstellungen stehen den angemessenen Vorstellungen entgegen Teil-(aufgabe) von Vorstellungen notwendig Umstrukturierung notwenig Beispiel: Wenn Wasser verschwindet, dann ist es für immer weg. Weiche Prozesse: Aufgreifen vorhandener Konzepte möglich Differenzierung bzw. Anreicherung von Vorstellungen Beispiel: Beispiel: Wasser verschwindet, wenn es warm ist.

13 Erste Konsequenzen Conceptual Change braucht Zeit... ist ein kognitiv anspruchsvoller Prozess... sollte nicht mit Konzeptwechsel, sondern besser mit Konzeptveränderung übersetzt werden (= Veränderung gedanklicher Vorstellungen)... ist insbesondere im naturwissenschaft-lichen Bereich häufig schwierig

14 Wie kann Conceptual Change gefördert werden? Konstruktivistisch orientierte Ansätze zum Lernen: Lernende müssen selbst aktiv und engagiert sein Konzepte/Vorstellungen müssen vom Lernenden selbst konstruiert werden Vorhandene Vorstellungen der Lernenden berücksichtigen individuelle Lernwege ermöglichen Belastbarkeit von Vorstellungen muss selbst getestet werden Aufbau von Konzepten in einem kooperativen und dialogischen Prozess ist hilfreich Sinnvolle Kontexte wählen Lernwege reflektieren

15 Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, um Konzeptveränderungen zu ermöglichen? Conceptual Change Theorie von Posner et.al (1982) Die Lernenden müssen unzufrieden sein mit der bisherigen Vorstellung (dissatisfaction) Die neue Vorstellung muss einsichtig sein (intelligible). Die neue Vorstellung muss überzeugend sein (plausible). Die neue Vorstellung muss fruchtbar sein (fruitful).

16 Aktuelle Erweiterungen der Theorie Die Änderung gedanklicher Vorstellungen (Conceptual Change) ist auch abhängig von motivationalen Faktoren und von Umgebungsfaktoren (sog. heiße Conceptual Change Theorien von Pintrich et al.) ist auch abhängig von der Situation (z.b.: in der Schule wird anderes Wissen aktualisiert als im Alltag) (sog. situierte Kognition) ist auch abhängig von sozialen Interaktionen (wer weiß, was richtig ist?) (sog. sozial-konstruktivistische Auffassungen)

17 Strategien zur Förderung von Conceptual Change Modelle zur Förderung Modell 1: Konfrontieren Vorhandene Vorstellungen in Frage stellen neue Vorstellungen aufbauen Modell 2: Anknüpfen vorhandene Vorstellungen aufgreifen diese Vorstellungen weiterentwickeln Modell 3: Umgehen Belastbare Vorstellungen aufbauen Ursprüngliche Vorstellungen anschließend reflektieren und bearbeiten

18 Conceptual Change in der Grundschule Lernbereich Naturwissenschaften ein zu anspruchsvolles, langwieriges Unterfangen? Sind Grundschulkinder in der Lage, ihre Vorstellungen zu verändern und umzustrukturieren? Warum diese Anstrengung?

19 Ein Beispiel aus den 70er Jahren Zum Thema Schwimmen und Sinken: Lernen über Merksätze: Vollkörper, die leichter sind als die gleiche Raummenge Wasser schwimmen; Vollkörper, die schwerer sind als die gleiche Raummenge Wasser sinken. Hohlkörper schwimmen auch dann auf dem Wasser, wenn sie aus einem Material bestehen, das schwerer ist als die gleiche Raummenge Wasser. (aus Leicht 1973)

20 Probleme der sog. geschlossenen Curricula aus den 70er Jahren Grundschulkinder lernen nicht, die naturwissenschaftlichen Fachbegriffe zu verstehen, sondern bestenfalls Wörter, die für sie stehen, assoziativ und grammatikalisch korrekt zu gebrauchen (Lauterbach 1992) Mangelnde Passung, Überforderung, Motivationsprobleme

21 Ziele frühen naturwissenschaftlichen Lernens heute Vorstellungen verändern: um nicht belastbare Vorstellungen abbauen angemessenere Vorstellungen aufbauen neue Vorstellungen integrieren verstandenes anwendungsfähiges weitgehend integriertes Wissen zu erreichen.

22 Forschungsprojekt Untersuchung zum Aufbau physikalischer Vorstellungen durch Unterricht (Schwerpunktprogramm DFG BIQUA) (Schulstudie) Kooperationsprojekt: Prof. Dr. K. Möller, A. Jonen, Universität Münster Prof. Dr. E. Stern, Dr. I. Hardy, Max-Planck Berlin

23 Forschungsfragen Lassen sich vorhandene Vorstellungen durch Unterricht anhaltend - und nicht nur kurzfristig - verändern? Ist das auch in anspruchsvollen Bereichen - wie z.b. physikalischen Themenbereichen bereits in der Grundschule - möglich?

24 Untersuchungsaufbau Vergleich von Klassen mit und ohne Unterricht Schriftlicher Test mit offenen und geschlossenen Items 1. Woche Woche 4. Woche 1 Jahr später Prätest Intervention: 8 Doppelstunden Unterricht 3 Klassen (N=66) konstruktivistisch orientiert 2 Klassen Baseline (N=41) kein Unterricht Posttest Follow-up

25 3. Wie kommt es, dass ein großes, schweres Schiff aus Eisen nicht untergeht?

26 Wie kommt es, dass ein riesiges, schweres Schiff im Wasser nicht untergeht? Erste Vermutungen der Kinder: Vär leich wegen den Luft Auf dem Schiff ist ein Kapiten. Das Schiff tragt schwere sache. Zum beischbil Fische, Öl und Kole. Weil vielleicht im Schiff Luft drin ist oder weil es bestimmte Motoren hat.

27 Unterricht zu dem Thema: Wie kommt es, dass ein riesiges, schweres Schiff im Wasser nicht untergeht? 1. Schritt des Unterrichts: Vermuten und überprüfen: Welche Vollkörper schwimmen, welche sinken?

28 Häufige Vorstellungen von Kindern Großes sinkt - Kleines schwimmt Schweres sinkt Leichtes schwimmt Löcheriges sinkt Flaches schwimmt Lackiertes schwimmt Langes Dünnes schwimmt... Ziel: Nicht haltbare Vorstellungen verändern

29 Vermutungen überprüfen

30 Erfahrungen machen: Ein schwerer Wachsklotz schwimmt, obwohl keine Luft darin ist!

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32 Unterricht zu dem Thema: Wie kommt es, dass ein riesiges, schweres Schiff im Wasser nicht untergeht? Erkennen: Es kommt auf das Material an, nicht auf Größe, Gewicht, Löcher Schritt des Unterrichts: Erforschen: Warum sinken manche Materialien, manche nicht?

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35 Vergleich der Schwere von Gegenständen mit der Schwere von Wasser

36 Unterricht zu dem Thema: Wie kommt es, dass ein riesiges, schweres Schiff im Wasser nicht untergeht? Erkennen: Materialien, die leichter sind als gleich viel Wasser, schwimmen und 4. Schritt des Unterrichts: Warum schwimmen manche Materialien, manche nicht? Gegenstände brauchen Platz im Wasser... Das Wasser drückt Gegenstände nach oben...

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45 Erkennen... Je mehr Platz ein Topf im Wasser einnimmt, umso mehr Wasser wird verdrängt, umso mehr Wasser drängt zurück an seinen Platz, um so stärker wird der Topf nach oben gedrückt... Das Wasser drückt nach oben, die Erdanziehungskraft zieht nach unten, beim eingetauchten Topf gewinnt das Wasser...

46 Wie kommt es, dass ein riesiges, schweres Schiff aus Metall nicht untergeht? vor dem Unterricht Vär leich wegen den Luft Auf dem Schiff ist ein Kapiten. Das Schiff tragt schwere sache. Zum beischbil Fische, Öl und Kole nach dem Unterricht Das ligt Nicht an der luft das ligt auch Nicht an das glachgewicht es ligt an den Wasser Das Wasser will auf sein alten Platz zurück, und das Wasser drückt ihn nach oben. Weil vielleicht im Schiff Luft drin ist oder weil es bestimmte Motoren hat. Das Schiff drängt ja Wasser weg und dieses Wasser trägt das Schiff,... Wenn das Wasser weniger wiegt als das Schiff dann würde das Schiff untergehen.

47 Langzeitentwicklung: Integriertes wissenschaftliches Verständnis (Hardy, Jonen, Möller, Stern 2006) erreichte Punktzahl 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 vorher nachher follow-up Messzeitpunkte integriertes Verständnis_Intervention integriertes Verständnis_Basisgruppe höheres Kornelia wissenschaftl. Möller, Dillingen Verständnis_Intervention 2007 höheres wissenschaftl. Verständnis_Basisgruppe

48 Ergebnisse (drei unterrichtete Klassen) Prä-Postvergleich: Die Kinder haben signifikant dazu gelernt. Sie haben signifikant nicht haltbare Vorstellungen abgebaut. Auch die Leistungsschwächeren haben vom Unterricht signifikant profitiert. Nach einem Jahr: Der Abbau fehlerhafter Vorstellungen und der Aufbau neuer, integrierter Vorstellungen war noch nach einem Jahr signifikant nachweisbar. Er lag ebenfalls signifikant über den Leistungen der nicht unterrichteten Gruppe. Die nicht unterrichteten Kinder haben ebenfalls dazu gelernt, aber nicht bei höherwertigem Verständnis

49 Wissensdiagnostik : Baumstammaufgabe

50 Vorstellungen verändern vor dem Unterricht Geht unter, weil er so schwer ist. Schwimmt, weil er aus Holz ist. Geht unter, weil der Baumstamm sehr schwer ist. Das Wasser kann schwere sachen nicht tragen. nach dem Unterricht Schwimmt, weil er ganz aus Holz ist und deutsches Holz schwimmt. Schwimmt, weil er aus Holz ist. Weil er vom Wasser genug nach oben gedrückt wird. Schwimmt, weil der Baumstamm weniger wigt als das Wasser dass er verdrängt.

51 Anwendung des Wissens: Würfelaufgabe Richtige Lösungen: 1. Aufgabe 93 % 2. Aufgabe 52 %

52 Anwendung des Wissens: Ei im Salzwasser Richtige Lösung: 93 %

53 Transfer des erworbenen Wissens Warum steigt das Holzstück nicht nach oben? Weil kein Wasser unten ist, dann kann das Wasser die Holzplate nicht nach oben drucken Das Brett ist jetzt wie der Boden. Es lag ja schon auf dem Platz. Dort war vorher gar kein Wasser also braucht das Wasser nicht drücken.

54 Motivationale und selbstbezogene Ziele Hohes Interesse (keine Unterschiede zwischen Mädchen und Jungen) Ausgeprägte intrinsische Motivation Hohe Lernzufriedenheit Ausgeprägtes Kompetenzerleben

55 Vergleich eines Unterrichts mit stärkerer Strukturierung/ mit geringerer Strukturierung Je drei vergleichbare Klassen Lehrkraft konstant Materialien und Unterrichtszeit konstant Strukturierung als unterstützende Gesprächsführung Sequenzierung des komplexen Inhaltes

56 Vergleich der Lehr-Lernumgebungen (Möller et al. 2002, Hardy et al. 2006; Blumberg et al. 2004) Signifikante Überlegenheit der Klassen mit stärkerer Strukturierung, aber dennoch konstruktivistischer Orientierung bzgl. des langfristigen Aufbaus eines integrierten Verständnisses bzgl. des Abbaues von Fehlvorstellungen bzgl. der intrinsischen Motivation, der empfundenen Kompetenz, des empfundenen Engagements und der entwickelten Erfolgszuversicht, insb. bei den leistungsschwächeren bzgl. der Lernzuwächse der leistungsschwächeren Kinder bzgl. der Vereinbarkeit von kognitiven und motivationalen Zielsetzungen (Blumberg et al. 2004

57 Anforderungen an die Lehrkraft Vorbereitung des Unterrichts: Sachanalyse Analyse des Lernstands der Kinder (Interessen, Vorerfahrungen, Präkonzepte) Analyse der Lernschwierigkeiten Auswahl geeigneter Aufgaben Ggfs. Sequenzierung aufeinanderfolgender Lehr- Lerneinheiten

58 Anforderungen an die Lehrkraft Orientierende Klassengespräche vor Beginn des Unterrichts: Präkonzepte erheben und Erfahrungen aktualisieren Problemorientierung entwickeln und Vermutungen erfragen und festhalten

59 Anforderungen an die Lehrkraft Begleitende Klassengespräche während des Unterrichts: Aufgreifen und Fokussieren von Erfahrungen Aufmerksam machen auf interessante Phänomene Impulse zur Überprüfung von Vermutungen Einfordern von Begründungen Aufmerksam machen auf abweichende Meinungen - Impulse zum Erkennen von Widersprüchen Zusammenfassen und Festhalten von Teilergebnissen

60 Anforderungen an die Lehrkraft Auswertende Klassengespräche: Erfahrungen und Deutungen zusammentragen und festhalten Impulse zur Strukturierung und Integration Impulse zur Verallgemeinerung Reflektion des Lernwegs anregen

61 Fazit: Kognitiv anspruchsvoller naturwissenschaftlicher Unterricht Grundschulkinder sind in der Lage, ihre Vorstellungen nachhaltig zu verändern und angemessenere Vorstellungen aufzubauen. Das gilt auch für leistungsschwächere Schüler, falls genügend Sequenzierung und Unterstützung im Lernprozess vorhanden ist. Grundschulkinder sind dazu bereit, sich kognitiv anstrengen! Die kognitive Schwierigkeit muss allerdings in ihrer Reichweite liegen. Ein solcher Unterricht fördert kognitive, motivationale und persönliche Entwicklung.

62 Welche Fähigkeiten brauchen Grundschullehrkräfte? Erforderliche Kompetenzen bei den unterrichteten Lehrkräften Fachwissen Diagnosefähigkeit Fähigkeit hinsichtlich einer unterstützenden Gesprächsführung und einer Sequenzierung komplexer Inhalte Aber: Weltweit sind Grundschullehrkräfte eher Generalisten als Fachlehrkräfte Aus-und Fortbildung entscheidend!

63 Wie aus- und fortbilden? Ergebnisse unserer Lehrerfortbildungsstudie aus dem BIQUA-Schwerpunktprogramm zeigen (Möller et al. 2006): Abwendung von Vermittlungsvorstellungen hin zu einem Conceptual Change-orientierten Verständnis durch intensive Fortbildungen möglich (Kleickmann et. al 2006, Möller et al. 2006) Conceptual-Change orientiertes Verständnis korreliert mit entsprechendem Verhalten der Lehrkräfte im Unterricht (hochinferente Videoratings) Lehrkräfte mit besserem Verständnis von Conceptual Change erzielen bessere Schülerleistungen!

64 Fazit aus Untersuchungen Die Vorstellungen von Lehrkräften über LERNEN sind entscheidend! Aus- und Fortbildung muss das Verständnis über den Prozess des Lehrens und Lernens thematisieren und ein aktives Lernverständnis aufbauen! (auch Staub/Stern 2002)

65 Es geht auch anders... und schneller: Die Kinder experimentieren und... die Lehrkräfte (oder die Schulbücher...)

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67 ... liefern die Lösung: Wenn das Plastilin die Form eines Schiffes erhält, schwimmt es. Es braucht so mehr Platz und verdrängt mehr Wasser. Dadurch wird es stärker vom Wasser nach oben gedrückt. So einfach geht s!

68 Naturwissenschaften in der Grundschule Nicht: Wissen vermitteln..., sondern Wissensumstrukturierung fördern als wesentliches Element eines kognitiv anspruchsvollen Unterricht in der Grundschule!

69 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Universität Münster Seminar für Didaktik des Sachunterrichts ddsu.uni-muenster.de/www/

70 Literatur Lernen von Naturwissenschaften in der Primarstufe: Möller, Kornelia: Naturwissenschaftlicher Sachunterricht. Kindern beim Erlernen von Naturwissenschaften helfen. In: Grundschulmagazin. 1/07, S Möller, Kornelia: Naturwissenschaftliches Lernen in der Grundschule: Eine neue Idee? In: P. Hanke (Hrsg.): Grundschule in Entwicklung. Herausforderungen und Perspektiven für die Grundschule heute. Münster: Waxmann Verlag, S Möller, Kornelia: Genetisches Lernen und Conceptual Change. In: Kahlert, Joachim u. a. (Hrsg.): Handbuch Didaktik des Sachunterrichts. Bad Heilbrunn: Klinkhardt 2007, S Literatur zum Forschungsprojekt BIQUA: Möller, Kornelia; Hardy, Ilonca; Jonen, Angela; Kleickmann, Thilo: Naturwissenschaften in der Primarstufe Zur Förderung konzeptuellen Verständnisses durch Unterricht und zur Wirksamkeit von Lehrerfortbildungen. In: Prenzel, Manfred; Allolio-Näcke, Lars (Hrg.): Untersuchungen zur Bildungsqualität von Schule. Abschlussbericht des DFG-Schwerpunktprogramms BiQua. Münster: Waxmann. 2006, S Möller, Kornelia; Jonen, Angela; Kleickmann, Thilo: Für den naturwissenschaftlichen Sachunterricht qualifizieren. Eine Aufgabe für die Lehrerfortbildung. In: Grundschule 36 (2004) 6, S