Von der Intelligenz zum intelligenten Wissen: der Erwerb von Kompetenzen im technischnaturwissenschaftlichen

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1 Von der Intelligenz zum intelligenten Wissen: der Erwerb von Kompetenzen im technischnaturwissenschaftlichen Bereich Elsbeth Stern Professur für Lehr- und Lernforschung Montag, 20. Juli

2 Was können Abiturienten (nicht)? 2

3 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 Prozent korrekte Lösung bei deutschen Abiturienten Deutschland: mit Leistungskurs Mathematik: 50% Deutschland: mit Grundkurs Mathematik: 44% Schweiz: 60% International 67% 3

4 Warum können Abiturienten/Maturanden die Aufgabe nicht lösen? Sie haben träges Wissen erworben Beschleunigung wurde als Definition in der Physik gelernt und längst wieder vergessen Der Graph wurde nicht als Denkinstrument verstanden, sondern als Darstellungsmöglichkeit Weg-Zeit-Graph ist bekannt, mit Bekanntem fährt man besser Konzeptuelles Verständnis wie "Rate der Veränderung" wurde nicht erarbeitet

5 25 kg 50 N Ein Mädchen zieht einen Schlitten, auf dem ihr kleiner Bruder sitzt, mit konstanter Geschwindigkeit über eine horizontale Oberfläche, wobei das Zugseil mit der Horizontalen einen Winkel von 30 Grad einschliesst. Der Bruder und der Schlitten wiegen zusammen 25 kg. Wenn das Mädchen den Schlitten mit einer Kraft von 50 N zieht, wie gross ist dann der Reibungskoeffizient μ, der die Reibung zwischen den Kufen des Schlittens und der Schneeoberfläche beschreibt?

6 50 N Über welche Wissensbasis muss man verfügen, um eine solche Aufgabe zu lösen?

7 50 N Typische Lösung eines Schüle der eine Unterrichtseinheit in Mechanik hinter sich gebracht ha F R = µ F N F N = 50 N F R = µ 50 N F R = 10 N µ = F R /F N µ = 10 N / 50 N

8 50 N Über welche Wissensbasis muss man verfügen, um eine solche Aufgabe zu lösen? KRAFT Alltagsverständnis von Kraft: animistisch, Eigenschaft der Person: Wenn der Vater des Mädchens zieht, braucht der weniger Kraft. Intuitive Vorstellung: Jede Bewegung erfordert Kraft Das Trägheitsprinzip ist kontraintuitiv Automatisiertes prozedurales Wissen: Trigonometrie

9 Eine schwere Kugel fällt versehentlich aus dem Frachtraum eines Flugzeuges, während das Flugzeug in horizontaler Richtung fliegt. Der ganze Vorgang wird von einer Person auf dem Boden beobachtet, die das Flugzeug wie in der Skizze rechts sieht. Welche der gezeichneten Bahnkurven beschreibt die Flugbahn der Kugel nach dem Herausfallen am besten? (Markieren Sie Ihre Antwort in der Skizze.) 9

10 Lösung ETH-Studenten (Studie Vaterlaus/Stern): A: 28% B: 19% C: 7% D: 46 % E: 0% 10

11 Probleme im MINT-Unterricht Formeln statt Konzepte Konzeptverständnis ist ein langfristiger Prozess Lerngelegenheiten müssen auf den Prozess der Wissenskonstruktion ausgerichtet sein Montag, 20. Juli

12 Wissen als der Schlüssel zum Können Gedächtnis und Wissen

13 Hans baute ein Boot. Urs liess einen Drachen steigen. Lutz ass einen Apfel. Beat ging über das Dach. Jochen versteckte ein Ei. Dominik setzte das Segel. Peter schrieb ein Drama. Viktor drückte den Schalter.

14 Wer ass einen Apfel? Wer versteckte ein Ei? Wer liess einen Drachen steigen? Wer ging über das Dach? Wer drückte den Schalter? Wer setzte das Segel? Wer baute ein Boot? Wer schrieb das Drama?

15 Noah baute ein Boot. Benjamin Franklin liess einen Drachen steigen. Adam ass einen Apfel. Der Weihnachtsmann ging über das Dach. Der Osterhase versteckte ein Ei. Christoph Kolumbus setzte das Segel. William Shakespeare schrieb ein Drama. Thomas Edison drückte den Schalter.

16 Wer ass einen Apfel? Wer versteckte ein Ei? Wer liess einen Drachen steigen? Wer ging über das Dach? Wer drückte den Schalter? Wer setzte das Segel? Wer baute ein Boot? Wer schrieb das Drama?

17 Jede/r Lehrende muss sich bewusst sein: Was wir uns an eingehender Information merken können, hängt ganz entscheidend von unserem bereits verfügbaren Wissen ab.

18 Die Gedächtnisleistung hängt (fast) ausschliesslich von der Wissensorganisation ab: Neue Information muss an bestehende Information angebunden werden. Geringer Einfluss von Strategiewissen, starker Einfluss von Alzheimer und anderen Gehirnkrankheiten. Es gibt keinen unspezifischen Transfer (weder durch Latein, noch durch Schach oder Musik) Ursache für schlechte Merkleistung im Unterricht: Im Zweifelsfalle nicht mangelnde Motivation sondern fehlendes Wissen (Information geht durch die Maschen)

19 Wissen als der Schlüssel zum Können Wissen DASS Deklatives Wissen (Fakten und Begriffe) Wissen WIE Prozedurales Wissen (automatisierte Handlungen) Der Unterschied zwischen diesen beiden Wissensarten ist wichtig für lernwirksamen Unterricht. Ob man sie auf der Ebene des Gehirns unterscheiden kann, ist irrelevant.

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21 Welche Zahl ist grösser? 9356 oder Automatisierung der Blickbewegung

22 Welche Lernvorgänge erzeugen automatisiertes prozedurales Wissen? Wiederholung Lernen am Erfolg Eventuell durch externe Steuerung (operantes Konditionieren) Fehler können den Lernprozess verzögern

23 Warum der Erwerb von anwendbarem konzeptuellem Wissen ungleich schwieriger ist Säugetier Gewicht Trägheit Menschen und Affen Gleichheitszeichen: 1+2=3+4=7+5=12

24 Problem: Isoliertes Faktenwissen statt konzeptuelles Netzwerk Paris ist die Hauptstadt von Frankreich, aber Kraft = Masse x Beschleunigung, aber Go, went, gone, aber

25 Experten (Lehrpersonen) sehen die Welt anders als Novizen (Schüler) Charakteristische vs. definitorische Merkmale: Säugetier Sinnliche Erfahrung vs. physikalische Begriffe: Gewicht, Bewegung, Trägheit Kraft: Funktion statt Eigenschaft

26 Kategorisierung von Gebrauchsgegenständen Alltagswissen: Bestehen aus Stahl Physikwissen: Funktion beruht auf der Wirkung von Kräften 26

27 Alltagskonzepte: Klassifikation nach dem Einsatzbereich Haushalt Landwirtschaft Handwerk 27

28 Klassifikation nach physikalischen Prinzipien Hebel Keil 28

29 Was ist eine Maschine?

30 Unter einer Maschine versteht man in der Physik Vorrichtungen, welche Ansatzpunkt, Richtung oder Größe einer Kraft verändern, um die vorhandene Kraft möglichst zweckmäßig zur Verrichtung von Arbeit einzusetzen.

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32 Wissenschaftlich fundierte Förderung n allgemeinbildenden Schulen 1. Früher beginnen 2. Unterricht durch kognitiv aktivierende Lernformen anreichern 32

33 1. Schweizer MINT Studie: Seit 2011 Auswirkungen von optimiertem naturwissenschaftlichem Unterricht ab der Primarschule: Kognitive Aktivierung (6000 Schüler, 300 Lehrer) Erfahrungsbasiert Vorwissen Argumentation Selbsterklärungen Luft & Luftdruck Schall Schwimmen & Sinken Brücken 33

34 Wie kommt es, dass ein kleines Stück Stahl untergeht, aber ein grosses, schweres Schiff aus Stahl schwimmt? Hardy, I., Jonen, A., Möller, K., & Stern, E. (2006). Why does a large ship of iron float? Conceptual change in elementary school children. Journal of Educational Psychology.

35 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.

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37 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.

38 Lernzuwachs Experimentalgruppe Thema Anzahl SchülerInnen Zugewinn (Punkte) Standardabweichung Signifikanz Effektgrösse Luft & Luftdruck Schall Schwimmen & Sinken Brücken Kontrollgruppe Thema Anzahl SchülerInnen Zugewinn (Punkte) Standardabweichung Signifikanz Effektgrösse Luft & Luftdruck Schall Schwimmen & Sinken Brücken

39 Vergleich zu Lernzuwachs der Kontrollgruppe LL Vortest Nachtest Schulstufe Schulstufe Schulstufe S Vortest Nachtest Schulstufe Schulstufe Schulstufe SS Vortest Nachtest Schulstufe Schulstufe Schulstufe B Vortest Nachtest Schulstufe Schulstufe Schulstufe 39

40 Entwicklung von Geschlechterunterschieden LL 10 5 Mädchen Buben S 10 5 Mädchen Buben 0 Vortest Nachtest SS 10 Mädchen Buben B 10 Mädchen Buben

41 Lerntransfer auf Experimentierverständnis 1. Welches Flugzeug verbraucht am wenigsten Treibstoff? Herr Müller baut Flugzeuge und möchte, dass sie möglichst wenig Treibstoff verbrauchen. Er hat verschiedene Ideen, wovon der Treibstoffverbrauch abhängen könnte: Er überlegt sich, dass ein Flugzeug eine spitze oder eine runde Nase haben kann. Er überlegt sich, dass die Höhenruder unten oder oben angebracht werden können. Vortest.78*** Nachtest Er überlegt sich, dass ein Flugzeug doppelte oder einfache Flügel haben kann. Herr Müller vermutet, dass ein Flugzeug mit einer spitzen Nase weniger Treibstoff verbraucht als ein Flugzeug mit einer runden Nase. Was soll Herr Müller tun, um herauszufinden, ob die Form der Flugzeugnase für den Treibstoffverbrauch wichtig ist?.16** Kreuze die richtige Antwort an: Herr Müller muss ein paar Flugzeuge bauen und vergleichen, wie viel Treibstoff sie verbrauchen. Herr Müller muss zwei Flugzeuge bauen, eines mit runder Nase und eines mit spitzer Nase. Sie müssen aber sonst ganz gleich sein. Dann muss er vergleichen, wie viel Treibstoff sie verbrauchen. Herr Müller muss zwei ganz unterschiedliche Flugzeuge bauen, bei denen er die Nase, die Flügel und die Höhenruder unterschiedlich macht. Dann muss er vergleichen, wie viel Treibstoff sie verbrauchen. Intervention 41

42 Wie können wir die Schülerinnen und Schüler besser auf das Lernen vorbereiten?

43 Unterricht lernwirksam gestalten. Der Aufbau intelligenten Wissens mit kognitiv aktivierenden Lernformen

44 Intelligentes Begriffswissen: Speicherung von Energie

45 Wie lässt sich der Erwerb intelligenten Wissens fördern? (1) Die Vorstellungen der Lernenden kennen und nutzen (2) Kognitiv aktivierende Phänomene als Einstieg verwenden (3) Erfinden mit kontrastierenden Fällen (4) Nutzung geistiger Repräsentationswerkzeuge (5) Aufträge für Selbsterklärungen geben (6) Holistische Konfrontation von Modellen (7) Metakognitive Fragen stellen

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48 Wie lässt sich der Erwerb intelligenten Wissens fördern? (1) Die Vorstellungen der Lernenden kennen und nutzen Formative statt summative Leistungsbeurteilung: Keine Noten Lern- statt Leistungsmotivation

50 Wie kommt es, dass ein kleines Stück Stahl untergeht, aber ein grosses, schweres Schiff aus Stahl schwimmt? Hardy, I., Jonen, A., Möller, K., & Stern, E. (2006). Why does a large ship of iron float? Conceptual change in elementary school children. Journal of Educational Psychology.

51 Kognitiv aktivierende Phänomene als Einstieg nutzen Einsicht in eigene Wissenslücken / Verständnisdefizite größeres Interesse am Lernstoff höhere Aufmerksamkeit bessere Lernmotivation

53 Selbständiges Erarbeiten des Unterschieds zwischen Temperatur und innerer Energie mit kontrastierenden Fällen

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58 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 Prozent korrekte Lösung bei deutschen Abiturienten Deutschland: mit Leistungskurs Mathematik: 50% Deutschland: mit Grundkurs Mathematik: 44% Schweiz: 60% International 67% 58

60 Bei Selbsterklärungen handelt es sich um Erklärungen, die man für sich selber entwickelt, um sich einen Sachverhalt verständlich zu machen. Wie erkläre ich den Unterschied zwischen Kraft und Impuls? Selbsterklärungen sind für die Konstruktion von Wissen sowie für die Integration neuer Informationen in das bereits vorhandene Vorwissen von zentraler Bedeutung.

62 Materialien der Versuchsgruppe

63 Holistische Konfrontation von Modellen Ergebnis: 90 % der Personen aus der Versuchsgruppe konnten den menschlichen Blutkreislauf korrekt beschreiben, aber nur 64 % der Personen aus der Kontrollgruppe.

65 Ich habe noch nicht verstanden, warum die Zentrifugalkraft eine Scheinkraft sein soll.

66 Wer profitiert von kognitiv aktivierendem Unterricht? Sarah Hofer

67 Verständnistest Mechanik CogAct Sarah Hofer

68 Transfer auf neue Aufgaben CogAct Sarah Hofer

69 Text Problem Solving Rechenaufgaben post und follow-up CogAct Sarah Hofer

70 *** *** underachieving girls (female UA): ~ 29 % of all girls * Sarah Hofer Sarah Hofer 70

71 *** *** Sehr intelligente SchülerINNEN * profitieren besonders deutlich underachieving girls (female UA): ~ 29 % of all girls Sarah Hofer Sarah Hofer 71

72 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit