Wie abstrakt denkt das Grundschulkind? Kindgerechte Lernumgebungen aus wissenschaftlicher Sicht. Ralph Schumacher, MINT-Lernzentrum

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1 Wie abstrakt denkt das Grundschulkind? Kindgerechte Lernumgebungen aus wissenschaftlicher Sicht. Ralph Schumacher, MINT-Lernzentrum

2 Welche Karten muss man umdrehen, um folgende Regel zu überprüfen: Wenn auf einer Seite der Karte ein Vokal steht, muss auf der anderen Seite eine gerade Zahl stehen. A B % korrekt 90% falsch Wason-Selection-Task: Kein Transfer zwischen Situationen mit formal isomorpher Struktur 2

3 Welche Karten muss man umdrehen, um folgende Regel zu überprüfen: Wenn auf einer Seite der Karte ein Vokal steht, muss auf der anderen Seite eine gerade Zahl stehen. A B % korrekt 90% falsch Wessen Getränk bzw. wessen Alter muss die Polizei überprüfen, um die Einhaltung des Jugendschutzgesetzes in der Disko zu gewährleisten: Wenn man Bier bestellt, muss man mindestens 16 Jahre alt sein. Peter trinkt Bier Rolf trinkt Rivella Bernd 17 Jahre Klaus 15 Jahre 100% korrekt 3

4 Intelligentes Wissen ist nach abstrakten Kriterien geordnet, die den Wissenstransfer erleichtern.

5 Intelligentes Wissen ist nach abstrakten Kriterien geordnet, die den Wissenstransfer erleichtern. In allen drei Fällen wird mechanische Energie gespeichert.

6 Wissenstransfer Wissenstransfer: Die Übertragung von Gelerntem auf neue Situationen. Voraussetzung für Transfer: Erkennen gemeinsamer Elemente in Lern- und Anwendungssituation Die menschliche Kognition ist wesentlich bereichsspezifisch. Ein spontaner Wissenstransfer zwischen verschiedenen Inhaltsbereichen findet nicht statt. 6

7 Umgestaltung des Begriffswissens: Von Oberflächenmerkmalen zu abstrakten Merkmalen

8 Worin unterscheiden sich Kinder und Erwachsene? Was verändert sich im Denken und Lernen von Primarschulkindern? These von Jean Piaget: Kinder bis 12 Jahren denken anders. mangelnde Abstraktionsfähigkeit Zentrierung im Denken mangelnde Reversibilität mangelnde Perspektivübernahme

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13 False-Belief-Task

14 Wissenschaftliches Denken: Hypothesen testen

15 1. Welche Maus ist im Haus? Zwei Brüder wissen, dass eine Maus in ihrem Haus ist. Wenn sie nämlich am Abend ein Stück Käse liegenlassen, dann ist der Käse am Morgen weg. Sie haben diese Maus aber noch nie gesehen. Klaus denkt, es ist eine kleine Maus. Herbert denkt, es ist eine grosse Maus. Die Brüder wollen nun herausfinden, ob sie eine grosse oder kleine Maus im Haus haben. Sie bauen zwei Häuschen: eins mit einem grossen und eins mit einem kleinen Loch:

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17 Piagets zentrale Annahmen widerlegt Vereinfachte Versionen der Aufgaben konnten von den Kindern gelöst werden. Das Stufenmodell ist folglich inadäquat.

18 Worin unterscheiden sich Kinder und Erwachsene? Was verändert sich im Denken und Lernen von Primarschulkindern? Piaget: Abstraktionsfähigkeit / besser Denken Alternative Theorie: besser Wissen

19 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) Holistische Konfrontation von Modellen

20 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) Holistische Konfrontation von Modellen

21 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.

22 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?

23 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.

24 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?

25 Expertise im Schachspiel 25

26 Wissen als Prädiktor von Leistungsunterschieden Schneider, W., Körkel, J., & Weinert, F. E. (1989). Domain-Specific Knowledge and Memory Performance: A Comparison of High- and Low- Aptitude Children. Journal of Educational Psychology, 81, Versuchspersonen Aufgabe: aus einem Text über Fußball möglichst viele Informationen im Gedächtnis zu behalten 26

27 Free recall score Begabung vs. Wissen Wissenspsychologie und Expertiseforschung: Wissen ist wichtiger als Intelligenz/Begabung ( weiche Expertise Hypothese) IQ lower IQ higher IQ lower IQ higher wenn Wissen erworben wurde, ist Intelligenz/Begabung irrelevant ( harte Expertise Hypothese; umstritten! ) Novizen Experten 27

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29 Aus 14 mach 2. 29

30 Errichtung der Helvetischen Republik Erste "Bundesversammlung" der neuen eidgenössischen Räte in Bern 30

31 Durch Chunking (Bündelung) von Wissen kann die Arbeitsgedächtniskapazität BEREICHSABHÄNGIG beliebig erhöht werden. 31

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33 M F M M M F M F F F M M M F F F M M M F F F M F F F M M F M F M M M F F F M F M M F M M F F F M 33

34 M F M M M F M F F F M M M F F F M M M F F F M F F F M M F M F M M M F F F M F M M F M M F F F M

35 Binär Dezimal Hexadezimal Binär Dezimal Hexadezimal ² ³ ³ A B C D E F C D FF 35

36 M F M M M F M F F F M M M F F F C7 M M M F F F M F D F F M M F M F M CA M M F F F M F M A M F M M F F F M E 36

37 45 C7 1D CA 3A 4E Von 48 zu 6 37

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40 Schülervorstellungen Was schwimmt was sinkt? Schwere und gelochte Gegenstände sinken. Kleine, leichte und flache Gegenstände schwimmen. Nur solche Dinge schwimmen, in denen Luft enthalten ist. Alle Gegenstände aus Holz schwimmen. Alle Gegenstände aus Stein gehen unter.

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42 42 Donnersta g, 4.

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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) Holistische Konfrontation von Modellen

46 Warum schwimmt ein grosses schweres Schiff aus Stahl, während ein kleines massives Stück Stahl untergeht?

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49 Welche Eigenschaft des Wassers ist dafür verantwortlich, dass der Ballon über der Kerze nicht platzt?

50 Kommen die Kugeln gleichzeitig ins Ziel?

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

52 Kognitiv aktivierende Phänomene als Einstieg nutzen Kapur, M. (2014). Productive Failure in Learning Math. Cognitive Science, Zwei Studien: (1) direct instruction vs. productive failure (2) direct instruction vs. productive failure vs. vicarious failure

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54 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) Holistische Konfrontation von Modellen

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

56 Newtons Pendel veranschaulicht die Impuls- und Energieerhaltung.

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58 D. L. Schwartz, C. C. Chase, M. A. Oppezzo & Chin, D. B. (2011). Practicing Versus Inventing With Contrasting Cases: The Effects of Telling First on Learning and Transfer. Journal of Educational Psychology, 22, 1 17.

59 Teilnehmer: Schülerinnen und Schüler Alter: 14 / 15 Jahre Tell & Practice (herkömmlicher Unterricht) Inventing with Contrasting Cases

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

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65 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) Holistische Konfrontation von Modellen

66 66 Die Balkenwaage als Repräsentationswerkzeug Hardy, I., Schneider, M., Jonen, A., Stern, E., & Möller, K. (2005). Fostering Diagrammatic Reasoning in Science Education. Swiss Journal of Psychology, 64 (3),

67 67 Versuchspersonen: 100 Drittklässler (Durchschnittsalter: 8 Jahre) Schwierigkeit der Schüler mit dem Konzept der Dichte Volumen und Masse werden von ihnen noch nicht als zwei verschiedene Eigenschaften berücksichtigt Hypothese: Die Balkenwaage unterstützt als Repräsentationswerkzeug den Wissenstransfer im Umgang mit linearen Graphen, weil sie den Schülern hilft, verschiedene physikalische Größen wie Masse und Volumen unabhängig voneinander zu repräsentieren.

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70 (Geheimmaterial: Größe 2, Gewicht 400) Wird das Geheimmaterial sinken oder schwimmen? 70

71 Die Unterstützung von Transfer durch lineare Graphen Stern, E., Aprea, C., & Ebner, H. G. (2003). Improving cross-content transfer in text processing by means of active graphical representation. Learning and Instruction, 13,

72 Die Unterstützung von Transfer durch lineare Graphen Fragestellung: Wie lässt sich der Wissenstransfer zwischen zwei verschiedenen Inhaltsbereichen mithilfe linearer Graphen unterstützen? Vermutung: Das aktive Konstruieren linearer Graphen hat eine stärkere Wirkung auf den Wissenstransfer als das passive Lesen. Denn durch das Konstruieren wird die Aufmerksamkeit noch stärker auf die wesentlichen Merkmale der Graphen (Möglichkeiten & Einschränkungen) gerichtet und es fällt daher leichter, sie als «reasoning tool» auf neue Situationen zu übertragen.

73 Die Unterstützung von Transfer durch lineare Graphen Greeno et al. (1993): knowledge transfer from one content area to another occurs when the common affordances and constraints of using mental tools to construct mental models are recognized active diagrammatic representation may direct particular attention to the affordances and constraints of spatial representations in mapping space onto certain kinds of nonspatial concepts and situations

74 Die Unterstützung von Transfer durch lineare Graphen 281 Teilnehmer drei Lernumgebungen: different-area / passive-graph condition different-area / active-graph condition same-area / no-graph condition

75 Die Unterstützung von Transfer durch lineare Graphen Thema der Lernsituation Thema der Transfersituation

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80 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) Holistische Konfrontation von Modellen

81 Holistische Konfrontation von Modellen Gadgil, S., Nokes-Malach, T. J., & Chi, M. (2012). Effectiveness of holistic mental model confrontation in driving conceptual change. Learning and Instruction, 22,

82 Holistische Konfrontation von Modellen Fragestellung: Mit welcher Lernform lässt sich das Verständnis von komplexen Modellen besser fördern mit Selbsterklärungs-Aufträgen (A) oder mit Aufträgen zum Vergleich von Modellen (B)? Hypothese: (B) eignet sich besser, um das Verständnis von Beziehungen in komplexen Modellen zu vertiefen. Versuchsgruppe: Vergleich eines Laien-Modells (inkorrekt) mit einem Experten-Modell (korrekt) Kontrollgruppe: Selbsterklärungen zum Experten-Modell

83 Holistische Konfrontation von Modellen Versuchspersonen: 84 Studierende zwischen Jahren Altersdurchschnitt: 21,2 Jahre

84 Materialien der Versuchsgruppe

85 Aufträge der Kontrollgruppe

86 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.

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89 Die Schweizer MINT Studie

90 KiNT-Unterrichtsmaterialien Luft und Luftdruck Schall was ist das? Schwimmen und Sinken Brücken und was sie stabil macht

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92 Fragen zur geplanten Studie Was wird untersucht? 1) Aufbau von Wissen 2) Erwerb von Kompetenzen 3) Interessensentwicklung 4) Lernmotivation

93 Fragen zur geplanten Studie Was gemessen? nur Grössen, die durch optimierten Unterricht beeinflusst werden können Wer leitet diese Studie? 1) Prof. Dr. Elsbeth Stern 2) Dr. Ralph Schumacher

94 Fragen zur geplanten Studie Was ist eine Längsschnittstudie, und wie sieht die von uns geplante Studie aus? Welche Unterrichtsmaterialien werden in der Primarschule eingesetzt? Wodurch zeichnen sich diese Unterrichtsmaterialien aus?

95 Fragen zur geplanten Studie Welche Effekte werden erwartet? Welches Ziel hat diese Studie?

96 Station 1: Gleich grosse Würfel im Becher

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98 Station 4: Knetmasse in verschiedenen Formen Das Wasser steigt immer gleich hoch.

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101 Station 1: Knetklumpen an der Angel Der Knetklumpen wird im Wasser scheinbar leichter.

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103 1) Fragestellung formulieren 2) Hypothesen aufstellen 3) Versuch darstellen 4) Beobachtungen beschreiben 5) Versuch interpretieren und ggf. Hypothesen revidieren Förderung sprachlicher Kompetenzen

104 Sequenz 5: Die Wirkung des Luftdrucks anhand verschiedener Versuche erfahren

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107 Einsatz der Tests Vortests zum Verständnis von Experimenten Vor- & Nachtests zu «Luft & Luftdruck» Vor- & Nachtests zu «Schall Was ist das?» Vor- und Nachtests zu «Schwimmen & Sinken» Vor- und Nachtests zu «Brücken und was sie stabil macht» Nachtests zum Verständnis von Experimenten

108 Webseite zur Längsschnittstudie Radiovortrag im SWR vom 9. Oktober 2011:

109 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!