Die Förderung schulischen Lernens mit kognitiv aktivierenden Lernformen

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1 Die Förderung schulischen Lernens mit kognitiv aktivierenden Lernformen Ralph Schumacher MINT-Lernzentrum, ETH Zürich

2 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. 2

3 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? 3

4 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. 4

5 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? 5

6 Was heisst es, ein naturwissenschaftliches Konzept verstanden zu haben? Man kann es beschreiben und an Beispielen erläutern. Man kann es unter Bezug auf andere naturwissenschaftliche Konzepte erklären. Man kann es auf oberflächlich unterschiedliche Fälle übertragen.

7 Ein Beispiel: Die goldene Regel der Mechanik Benutzt man eine einfache Maschine wie den Hebel oder die schiefe Ebene als Kraft sparende Maschine, dann muss man am Weg zusetzen, was an Kraft eingespart wird. Benutzt man eine einfache Maschine hingegen als Weg sparende Maschine, dann muss man an Kraft zusetzen, was am Weg eingespart wird.

8 Erklärung unter Bezug auf naturwissenschaftliche Konzepte Erklärung der goldenen Regel der Mechanik unter Bezug auf den mechanischen Begriff der Arbeit: Die mechanische Arbeit W ist gleich dem Produkt aus dem Betrag F der Kraft und dem Betrag s des Weges. W = F. s Das Produkt aus Kraft und Weg also die Arbeit - bleibt bei kraft- und wegsparenden Maschinen gleich.

9 Wissenstransfer: Anwendung des Wissens auf andere Fälle Beispiele: Flaschenzug, hydraulische Presse, Unter- bzw. Übersetzungen bei Zahnrädern, Schraube

10 Intelligentes Wissen als Lernziel Flexibel einsetzbares Wissen, das den Transfer des Gelernten auf neue Fälle ermöglicht Intelligente Wissensorganisation nach problemlösungsrelevanten Kriterien (anstatt nach Oberflächenmerkmalen) Abstraktes Begriffswissen (z.b. physikalischer Kraftbegriff anstelle der Alltagsvorstellung von Anstrengung) Vielfältige relevante Wissensbezüge z.b. zu technischen Realisierungen naturwissenschaftlicher Prinzipien

11 Die Bedeutung des Begriffswissens für den Wissenstransfer Beispiel: der Doppler-Effekt bei Schall und Licht Voraussetzung für den Wissenstransfer: Das Wissen, dass es sich bei Schall und Licht um Wellen handelt.

12 Wie lässt sich der Erwerb intelligenten Wissens fördern? Ziel: die Organisation des Wissens nach problemlösungsrelevanten Kriterien Umgestaltung von Begriffswissen: von Oberflächenmerkmalen zu abstrakten Merkmalen Umgang mit geistigen Werkzeugen (Graphen, Formeln, etc.) Herstellung von Wissensbezügen (z.b. zur Technik) Nutzung anschlussfähiger und nicht-anschlussfähiger Schülervorstellungen (produktiver Umgang mit Fehlern)

13 Die Bedeutung des Wissens für das Lernen: Wie wird neue Information in bestehendes Wissen integriert? Um die Wissensvermittlung im Unterricht optimal gestalten zu können, müssen Lehrpersonen Folgendes wissen: (1) Welche Anforderungen an das Vorwissen der Lernenden sind mit bestimmten Lernzielen verbunden (Konzepte, Organisation der Wissensbasis)? (2) Wie ist das Vorwissen der Lernenden tatsächlich beschaffen? Welche Missverständnisse und Fehler sind zu erwarten, wenn sie mit diesem Wissen bestimmte Aufgaben zu bewältigen versuchen? (3) Worin besteht das Lernziel? Wie sollte die Organisation der Wissensbasis nach Erreichen des Lernziels beschaffen sein?

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19 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),

20 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. 20

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23 (Geheimmaterial: Größe 2, Gewicht 400) Wird das Geheimmaterial sinken oder schwimmen? 23

24 Kognitiv aktivierende Lernformen unterstützen den Aufbau intelligenten Wissens (1) Einführung in neue Themen mit Phänomenen, die die Schülerinnen und Schüler selber noch nicht erklären können (2) Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen (3) Metakognitive Fragen (4) Anleitungen zum forschenden Lernen

25 Beispiel 1: Das umgedrehte Wasserglas Lernziel: Die Schülerinnen und Schüler sollen verstehen, dass die Luft auf die Körper, die sie umgibt, einen Druck ausübt. Beispiel 2: Die Verteilung des Drucks auf einen Luftballon im Wasser Lernziel: Der Druck wirkt stets senkrecht auf die Gefässwände, die das Gas oder die Flüssigkeit umgeben.

26 Beispiel 3: Das Wechselwirkungsgesetz (actio = reactio) 1. Schritt 2. Schritt

27 Wie wirkt sich die Konfrontation mit Phänomenen, die die Schülerinnen und Schüler selber noch nicht erklären können, auf die kognitive Aktivierung aus? Einsicht in eigene Wissenslücken bzw. Verständnisdefizite größeres Interesse am Lernstoff höhere Aufmerksamkeit bessere Lernmotivation

28 Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen 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.

29 Selbsterklärungs-Effekt: Zwischen dem Lernerfolg und der Anzahl der spontan gebildeten Selbsterklärungen besteht ein positiver Zusammenhang. Je größer die Anzahl der Selbsterklärungen, desto größer der Lernerfolg. Dieser Effekt wird durch eine ganze Reihe von Untersuchungen belegt (Chi et al. 1989, Pirolli & Recker 1994, Nathan et al. 1994, etc.).

30 Wirksamkeit von Selbsterklärungs-Trainings Studien von Berthold 2007, Chi 2000, Schworm & Renkl 2007, Siegler 2002 Experimentelle Studie von Chi et al. (1994) zur Förderung des Textverstehens durch aufgeforderte Selbsterklärungen Ziel der Studie: Es soll gezeigt werden, dass das Verstehen von Texten durch aufgeforderte Selbsterklärungen gefördert und vertieft werden kann. Teilnehmer: 24 Schüler im achten Schuljahr (Durchschnittsalter: 14 Jahre)

31 Versuchsgruppe: 14 Schüler wurden aufgefordert, beim Lesen eines Textes über den menschlichen Blutkreislauf nach jedem Satz eine Selbsterklärung zu bilden Kontrollgruppe: 10 Schüler haben den Text zweimal gelesen, wurden aber nicht aufgefordert, Selbsterklärungen zu bilden Kriterien: bei allen Schülern wurde das Wissen über den menschlichen Blutkreislauf vor und nach dem Lesen des Textes getestet

32 Ergebnisse: Die Schüler in der Versuchsgruppe hatten einen signifikant größeren Wissenszuwachs vom Vor- zum Nach-Test als die Schüler in der Kontrollgruppe. Zudem förderten die Selbsterklärungen die Vertiefung des Verständnisses. Dies zeigte sich daran, dass die Schüler mit vielen Selbsterklärungen komplexere Fragen beantworten konnten als die Schüler mit wenigen Selbsterklärungen.

33 Gründe für die positiven Wirkungen von Selbsterklärungen: (1) Reflexion und Kontrolle der eigenen Lernfortschritte (weniger Verstehensillusionen) (2) gezielte Integration neuer Informationen in das bereits bestehende Vorwissen (3) Konstruktion bereichsspezifischer Prinzipien, die für das Problemlösen wichtig sind (4) gezielte Aktivierung korrekter und Unterdrückung inkorrekter Lösungsstrategien

34 Einsatzbereiche von Selbsterklärungen Förderung des konzeptuellen Verstehens Produktiver Umgang mit Fehlern und Misskonzepten Herstellung von Wissensbezügen / Organisation des Wissens Kontrastierungen

35 (1) Selbsterklärungen von Konzepten, Zusammenhängen und Lösungswegen Grundidee: - gezielte Vergegenwärtigung zentraler Konzepte, Zusammenhänge und Lösungswege - Förderung des konzeptuellen Verstehens Beispiel: Erklären Sie, warum das Wasser aus dem umgedrehten Wasserglas, das mit der Postkarte abgedeckt ist, nicht herauslaufen kann. Warum fällt die Postkarte nicht einfach herunter?

36 Erklären Sie, wie es möglich ist, dass bei einer hydraulischen Presse mit einem kleinen Pumpkolben bei einem großen Presskolben eine große Kraft erzeugt wird.

37 (2) Selbsterklärungen zur gezielten Integration neuer Informationen in das Vorwissen Grundidee: Aktivierung des Vorwissens zur besseren Anbindung der neuen Informationen Gase wie z.b. Luft sind komprimierbar. Nennen Sie eine technische Anwendung, bei der dies eine Rolle spielt. Erklären Sie, warum die Komprimierbarkeit von Gasen für diese technische Anwendung besonders wichtig ist.

38 (2) Selbsterklärungen zur gezielten Integration neuer Informationen in das Vorwissen Flüssigkeiten wie z.b. Wasser sind nicht komprimierbar. Nennen Sie eine technische Anwendung, bei der dies eine Rolle spielt. Erklären Sie, warum die Nicht-Komprimierbarkeit von Flüssigkeiten für diese technische Anwendung besonders wichtig ist.

39 (3) Selbsterklärungen von nahe liegenden Fehlern und Misskonzepten Grundidee: Falsche Konzepte und Lösungsstrategien werden bewusst als inkorrekt vergegenwärtigt. Man repräsentiert einen Fehler als Fehler. Muster: Jemand glaubt, dass X und Y der Fall ist. Das ist nicht richtig. Erklären Sie, warum dies falsch ist.

40 Beispiel: Erstes Newtonsches Axiom Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmig geradlinigen Bewegung, sofern er nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines Zustandes gezwungen wird. Alltagsvorstellungen: (1) Ruhe und Bewegung werden als wesensmäßig verschieden angesehen. (2) Zum Aufrechterhalten einer Bewegung bedarf es immer einer Kraft.

41 Produktiver Umgang mit Fehlern und Misskonzepten Jede Unterrichtseinheit enthält eine Liste von gängigen Alltagsvorstellungen und Misskonzepten, die die Schülerinnen und Schüler in Bezug auf das Unterrichtsthema haben könnten. Nutzung: -Thematisierung im Unterricht -Behandlung im Rahmen von Selbsterklärungs- Aufträgen

42 (4) Selbsterklärungen mit Kontrastierungen Grundidee: Durch die Kontrastierung werden die wichtigsten Merkmale eines Konzepts / Zusammenhangs noch einmal besonders herausgehoben und vergegenwärtigt. Erklären Sie, warum eine Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit nicht eine gleichförmige, sondern eine beschleunigte Bewegung ist.

43 (4) Selbsterklärungen mit Kontrastierungen Bei einem Newtonschen Pendel werden die Metallkugeln durch Kugeln aus Knetmasse ersetzt. Anschliessend werden die vier hängenden Kugeln mit einer Kugel angestossen. Erklären Sie, warum es sich dabei nicht um einen elastischen Stoss handelt. Newtonsches Pendel

44 (5) Selbsterklärungen mit Perspektivübernahme Grundidee: gezielte Vergegenwärtigung der zentralen Konzepte und Zusammenhänge beim Überlegen, wie man jemandem etwas erklärt. Wie würden Sie jemandem, der Ihr physikalisches Wissen nicht besitzt, erklären, warum sich der Luftballon in der PET- Flasche nicht aufblasen lässt, solange der Finger das Loch in Der Flasche verschliesst? Welcher Punkt ist für das Verständnis besonders wichtig?

45 Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen (5) Selbsterklärungen mit Perspektivübernahme Wie würden Sie jemandem, der Ihr physikalisches Wissen nicht besitzt, erklären, warum die Wasserstrahlen bei der unten gezeigten Figur stets senkrecht zur Gefässoberfläche austreten?

46 Metakognitive Fragen Anleitung zur Reflexion über die eigenen Lernprozesse: 1) Kontrolle der eigenen Lernfortschritte 2) selbständiges Aufdecken von Verstehensillusionen 3) gezielte Gestaltung der eigenen Wissensorganisation

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

48 Experimentelle Studie von Mevarech & Kramarski (2003) Ziel der Studie: (1) Untersuchung der Wirkungen eines metakognitiven Trainings und des Lernens mit ausgearbeiteten Beispielen auf das mathematische Denken und die mathematischen Leistungen (Algebra) (2) Untersuchung der langfristigen Wirkungen beider Trainings auf die Mathematikleistungen

49 Teilnehmer: 122 Schüler im achten Schuljahr (Durchschnittsalter: 14 Jahre) Versuchsgruppe: metakognitives Training (IMPROVE) (Verständnis-, Verknüpfungs-, Strategie- u. Reflexionsfragen) Kontrollgruppe: Lernen mit ausgearbeiteten Beispielen In beiden Gruppen arbeiteten die Schüler in Kleingruppen von je vier Personen zusammen. Tests: Vortest, unmittelbarer Nachtest, sowie ein Nachtest ein Jahr später; Kriterien: sprachliche Erklärungen, mathematische Repräsentationen und Mathematikleistungen

50 Ergebnisse: Die Schüler aus der Versuchsgruppe zeigten in beiden Nachtests deutlich größere Lernfortschritte als die Schüler aus der Kontrollgruppe. Die Unterschiede in den Lernfortschritten zeigten sich sowohl bei den Mathematikleistungen als auch bei der Fähigkeit, die eigenen Überlegungen mündlich und schriftlich zu erklären. Studie von Mevarech & Fridkin (2006): Vergleichbare Effekte eines metakognitiven Trainings auch bei Studierenden

51 Metakognitive Fragen: Verständnis (positiv): Welche zentralen Inhalte haben Sie richtig gut verstanden? Erklären Sie die betreffenden Begriffe und Zusammenhänge. Verständnis (negativ): Welche zentralen Inhalte haben Sie noch nicht verstanden? Und welche Möglichkeiten gibt es, die Ihnen helfen könnten, diese Punkte besser zu verstehen? / Was könnten Sie tun, um diese Verständnisschwierigkeiten zu beseitigen? Vertiefung: Welche Inhalte haben Sie besonders interessiert, und worüber möchten Sie noch mehr erfahren?

52 Instruktionen zur Anleitung forschenden Lernens (I) Die Entwicklung einer Fragestellung: Der erste Schritt besteht darin, eine sinnvolle und interessante Fragestellung zu finden, die sich anhand eines Experiments beantworten lässt. Dabei müssen die folgenden Punkte beachtet werden: -sinnvoll / theoriegeleitet -nicht trivial / gute Gründe für verschiedene Erwartungen -konkret

53 Fragestellung: Was treibt den Rotor in der Lichtmühle an und in welche Richtung dreht sich daher das Flügelrad?

54 (II) Die Herleitung von Hypothesen: Der zweite Schritt besteht darin, ausgehend von der Fragestellung und den verschiedenen Positionen unterschiedliche Hypothesen zu entwickeln, die anschließend im dritten Schritt durch ein geeignetes Experiment überprüft werden können. Beim Herleiten der Hypothesen müssen die folgenden Punkte beachtet werden: -gehaltvoll und konkret -klarer Zusammenhang zur Theorie -konkurrierende Hypothesen, die durch ein Experiment geprüft werden können

55 Hypothese: Photonendruck / Impuls der Lichtquanten, Drehung in Richtung der schwarzen Seiten Gegenhypothese: Thermischer Effekt, Drehung in Richtung der glänzenden Seiten

56 Instruktionen zur Anleitung forschenden Lernens (III) Die Planung und Durchführung eines geeigneten Experiments: Im dritten Arbeitsschritt wird ein Experiment konstruiert und durchgeführt, das geeignet ist, eine Entscheidung zwischen den konkurrierenden Hypothesen herbeizuführen. Bei diesem Arbeitsschritt müssen vor allem die folgenden Punkte beachtet werden: -realisierbar -Passung Experiment / Hypothesen -Kontrolle der relevanten Faktoren

57 Planung und Durchführung eines Experiments: Die Lichtmühle wird mit dem weissen Licht einer 500 W Halogenlampe beleuchtet. Das Flügelrad beginnt sich zu drehen und zwar in Richtung der glänzenden Seiten. Führt man das Experiment hingegen bei tiefen Temperaturen durch, indem man die Lichtmühle z.b. in ein Gefäss mit kaltem Wasser stellt, findet eine Umkehrung der Drehrichtung statt.

58 Instruktionen zur Anleitung forschenden Lernens (IV) Beobachtung: Im Anschluss an die Durchführung des Experiments muss genau protokolliert werden, welche Phänomene sich als Wirkungen des Experiments beobachten lassen. Dabei sollte auf die folgenden Punkte geachtet werden: -Sorgfalt beim Protokollieren -Beobachtungen sind theoriegeleitet

59 Beobachtung: Protokollierung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Drehrichtung der Lichtmühle warm kalt

60 Instruktionen zur Anleitung forschenden Lernens (V) Interpretation: Im letzten Schritt werden die beobachteten Resultate interpretiert und in ein theoretisches Modell integriert. Hierbei sind die folgenden Punkte zu beachten: Fall 1: Die Resultate stimmen mit der eigenen Hypothese überein. (Erklärungswert?) Fall 2: Die Resultate stimmen mit der eigenen Hypothese nicht überein. (falsche Hypothese oder schlechte Durchführung des Experiments?)

61 Interpretation: Möglicherweise spielen beide Effekte eine Rolle: Der thermische Effekt überwiegt vielleicht bei höheren Temperaturen und der Photonendruck bei tieferen. Frage nach alternativen Erklärungen für die Umkehr der Drehrichtung bei Abkühlung: stärkere Abkühlung der schwarzen Seiten Fragen für weiterführende Experimente: -Einfluss der Luftmenge in der Lichtmühle -Einfluss verschiedener Lichtarten (UV-Licht oder Infrarotstrahlung)

62 Die Förderung Forschenden Lernens in Kleingruppen I. Wahser & E. Sumfleth (2008). Training experimenteller Arbeitsweisen zur Unterstützung kooperativer Kleingruppenarbeit im Fach Chemie. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften M. Walpuski & E. Sumfleth (2007). Strukturierungshilfen und Feedback zur Unterstützung experimenteller Kleingruppenarbeit im Chemieunterricht. Zeitschrift für Didaktik der Naturwissenschaften

63 Kognitiv aktivierende Lernformen als zentrale Bestandteile jeder MINT-Unterrichtseinheit Übungen zum Umgang mit geistigen Werkzeugen (z.b. Graphen) Aus der Sicht der Schülerinnen und Schüler nicht-erklärbare Phänomene Anleitungen zur Bildung von Selbsterklärungen Metakognitive Fragen Anleitungen zum forschenden Lernen Inhaltlich abgestimmte Prä- und Post-Tests

64 Webseiten MINT-Lernzentrum: Forschungsliteratur: Username: Lernifv Password: Lern.1!

65 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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