Das Kind als Wissenschaftler schon im Vor- und Grundschulalter? Beate Sodian Ludwig-Maximilians-Universität München

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1 Das Kind als Wissenschaftler schon im Vor- und Grundschulalter? Beate Sodian Ludwig-Maximilians-Universität München

2 ognitive Voraussetzungen für schulische Leistungen - Die Lern- und Denkfähigkeiten jüngerer Kinder wurden in der älteren, an Piagets Stadientheorie orientierten, Entwicklungspsychologie unterschätzt. - Viele (Grund)schulcurricula sind auch heute noch an Piagets Stadienmodell orientiert und basieren auf der Vorstellung, dass stadientypische Merkmale des logischen Denkens den Erwerb von Wissen determinieren. - Empirisch ließen sich die angenommenen stadientypischen Synchronien nicht bestätigen. - Vor allem aber hat die neuere entwicklungspsychologische Forschung frühe kognitive Kompetenzen von Vorschulkindern, z.t. auch von Säuglingen und Kleinkindern eindrucksvoll belegt, sodass heute von Entwicklungsinvarianten, von früh erworbenem bzw. vielleicht sogar angeborenem Kernwissen ausgegangen wird.

3 Addition und Subtraktion im Säuglingsalter (Wynn, 1994)

4 Naturwissenschaftliches Denken und Lernen - Defizite deutscher Schüler in internationalen Vergleichsstudien (TIMMS, PISA). - Entwicklungspsychologische Forschung: Fehlkonzepte (Misconceptions) bei Kindern, Jugendlichen aber auch Erwachsenen oft nach mehreren Jahren Physikunterricht.

5 hysikalische Fehlvorstellungen ein Beispiel Straight-down belief: Annahme, dass ein Objekt senkrecht zu Boden fällt. Bsp. Fallinie eines Balles, der von einem fahrenden Wagen fällt. Straight-down belief berücksichtigt nur Wirkung der Schwerkraft. Richtig: Parabelförmige Fallinie (Schwerkraft und Trägheit). Situationsspezifität der Lösungen auch im Erwachsenenalter.

6 Resistenz von Fehlvorstellungen gegen Instruktion Domänenspezifische Hindernisse: Fehlvorstellungen sind eingebettet in ein kohärentes begriffliches System. Alternative intuitive Theorien. Kognitive Entwicklung als Theoriewandel in Analogie zum Paradigmenwechsel in der Wissenschaftsgeschichte. Domänenübergreifende Hindernisse: Defizitäres Verständnis von Wissenskonstruktion. Naivrealistisches Wissenschaftsverständnis. Defizite im formal-analytischen Denken (z.b. systematisches Experimentieren).

7 Entwicklungspsychologische Forschung zum wissenschaftlichen Denken - Piaget. Stadium der formalen Operationen in der Adoleszenz. Idealbild wissenschaftlicher Rationalität. - Neuere Forschung: Große interindividuelle Unterschiede. Grundverständnis der Logik der Hypothesenprüfung schon im Grundschulalter.

8 Stadium der formalen Operationen Pendelaufgabe von Inhelder & Piaget

9 Längsschnittstudie LOGIK Longitudinalstudie zur Genese individueller Kompetenzen (Weinert & Schneider, 1999) Studie zum wissenschaftlichen Denken von 8 21 Jahren (Bullock & Ziegler, 1999; Bullock & Sodian, 2003). Hier: Variablenkontrollstrategie.

10 Variablenkontrollstrategie

11 Flugzeugaufgabe: Produktion Testproduktion: Herr Müller will herausfinden, ob das Höhenruder einen Einfluss auf den Treibstoffverbrauch hat. Höhenruder oben Höhenruder unten Wie könnte er das herausfinden? Was für Flugzeuge müsste er bauen? Doppeldecker runde Nase einfache Flügel spitze Nase

12 Folienaufgabe Was für Flugzeuge sollte er bauen? runde Nase spitze Nase Doppeldecker einfache Flügel Höhenruder oben Höhenruder unten

13 Flugzeugaufgabe: Choice Wahlaufgabe: Aussuchen und begründen, welche Flugzeuge Herr Müller bauen müsste. 1 2 Warum gerade diese (beiden)? Warum haben die gleiche/ verschiedene Flügel?

14 Entwicklung der Variablenkontrollstrategie von der Kindheit bis zum Erwachsenenalter: Spontane Produktion vs. Wahlaufgabe Percent years 9 years 10 years 11 years 17 years 21 years Production Choice

15 Individuelle Unterschiede: Zeitpunkt der Strategieentdeckung 11 Jahre 32% 17 Jahre 32% 21 Jahre 13% Nie 9% Inkonsistent 14% (N=139)

16 Individuelle Unterschiede: Gymnasium vs. Realund Hauptschule 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 11 years 17 years 21 years college-bound non-college

17 Zwischenfazit Kompetenzen schon im Grundschulalter: Verständnis von Experimentierstrategien. Große individuelle Unterschiede in der spontanen Produktion von Experimentierstrategien. Keine Evidenz für Einflüsse der Schule auf Aspekte des formal-analytischen Denkens in schulfernen Aufgaben.

18 Wissenschaftliches Denken Frühe Kompetenzen Hypothese-Evidenz- Differenzierung (Sodian, Zaitchik & Carey (1991), Child Development). Hypothese A: Die Maus im Haus ist groß Hypothese B: Die Maus im Haus ist klein Test: Schachtel mit Käse aufstellen. Schachtel mit großer oder mit kleiner Öffnung? Warum? Die Mehrheit der Erstkläßler und fast alle Zweitkläßler wählen den konklusiven Test und können ihre Wahl begründen.

19 Wissenschaftliches Denken im Kindergartenalter: Die Interpretation von Kovariationsdaten oerber, Sodian, Thoermer, & Nett, 2005, Swiss Journal of Psychology) Kinder können Kovariationsinformation schon früh nutzen, um kausale Schlüsse zu ziehen. Haben Kindergartenkinder ein Verständnis der Hypothese-Evidenz-Relation?

20 Revision of prior belief vs. Fake Evidence (Teil 1) Fake evidence Revision of prior belief task: In einer Geschichte wurde den Kindern erzählt, dass eine Figur (Robby) glaubt, dass grüne Kaugummis schlechte Zähne, machen. Die VPs und die Figur bekamen dann Daten präsentiert, die die Gegenevidenz zeigte (see Fig. 1). Die Vps wurden gefragt, was Robbie nun glauben würde; sie sollten ihre Antwort erklären. Fake Evidence task: Danach tricksten VPL und VP eine andere Figur (Paul) aus, indem sie die Evidenz vertauschten, (grüne statt rote KGs zu den Kinder mit den schlechten Zähnen legten). Wieder wurden die VPs nach der Antwort der Figur (Paul) gefragt; und für ihre Erklärungen dafür.

21 Ergebnisse (Teil 2) 100% 90% Perfect Covariaton Imperfect Covariation Non-Covariaton 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 4-year-olds 5-year-olds 6-year-olds Results Patterns of covariation evidence The 4-, and 5-year-olds performed significantly worse in the non-covariation condition than in the imperfect covariation condition (McNemar 4-yrs:p<.001; 5-yrs: p<.001; 6-yrs: p=0.12).. Results Age trend No significant effect of age was found for interpretation of imperfect or reversed perfect covariation in the partial evidence tasks. However, a non-significant tendency for 6-year-olds to outperform younger children was found for the non-covariation task χ 2 (2, N=76)= 4.582; p=.101

22 Zwischenfazit Schon 4jährige können Kovariationsdaten nutzen, um Kausalannahmen zu bestätigen oder zu revidieren. Non-Kovariation ist schwieriger zu verstehen als Kovariation (aber nur dann, wenn das Kind einen kausalen Zusammenhang erwartet). Vorschulkinder können nicht nur realistische Bilder, sondern auch einfache Balkendiagramme nach kurzer Instruktion interpretieren.

23 Epistemologische Naivität von Grundschulkindern? Neuere Forschung zur Theory of Mind : - Differenzierung Überzeugung/ Realität mit vier Jahren. Verständnis von Wissensquellen (Sehen, Kommunikation, schlußfolgerndes Denken) mit vier bis sechs Jahren. Verständnis von Interpretationsperspektiven (im sozialen Bereich) mit 5-6 Jahren. => Grundbegriffe eines konstruktivistischen Wissenschaftsverständnisses können im Grundschulalter vermittelt werden.

24 Vermittlung von Wissenschaftsverständnis in der Grundschule DFG-Schwerpunktprogramm Bildungsqualität von Schule. Projekt (Sodian & Kircher): Vermittlung von Wissenschaftsverständnis in der Grundschule. Curriculare Interventionsstudien in vierten Grundschulklassen. (Sodian, Thoermer, Kircher, Grygier, & Günther, 2002, ZfPaed/ Studie 2 in Vorb.). Fragestellungen: Wie läßt sich das WV von Grundschülern charakterisieren? Können Grundprinzipien eines konstruktivistischen Wissenschaftsverständnisses vermittelt werden? Ist WV wichtig? Für Strategiegebrauch? Für Conceptual Change?

25 Grundlegende Aspekte des Wissenschaftverständnisses nach Mc Comas et al. (1998) Wissenschaftliche Erkenntnis als tentativ und basierend auf rationaler Argumentation Die Bedeutung von systematischer Beobachtung und experimentellen Befunden für wissenschaftliche Erkenntnis Die Bedeutung die Theoriebildung für den Erkenntnisfortschritt Wissenschaftliche Erkenntnis muss öffentlich zugänglich, transparent gestaltet sein Evolutionäre und revolutionäre Natur des wissenschaftlichen Erkenntnisprozesses Einbindung naturwissenschaftlicher Erkenntnis in den kulturellen Rahmen; Wechselwirkung von Wissenschaft und Technik

26 Die Bedeutung des Lernens über Naturwissenschaften im Kontext Schule Lernen des Umgangs mit wissenschaftlichen Quellen (scientific literacy) als bereichsübergreifende Kompetenz als Basis für das Verständnis grundlegender Konzepte, Prinzipien und Methoden wissenschaftlichen Arbeitens PISA 2000; OECD 1999; Duit, Häußler, Prenzel 2001

27 5 Argumente für Wissenschaftsverständnis in der Bildung Das Nützlichkeitsargument: technische Objekte und Prozesse handhaben Das demokratische Argument: an Entscheidungsprozessen teilnehmen Das kulturelle Argument: Naturwissenschaften als wesentliches Element der Kultur Das moralische Argument: Normen und Werte der wissenschaftlichen Gemeinschaft Das pädagogisch-psychologische Argument: Erfolgreiches Lernen naturwissenschaftlicher Inhalte wird dadurch gefördert, dass darin auch das Wesen der Naturwissenschaften als Inhalt eingeschlossen ist. Driver, 1996

28 Aspekte von Wissenschaftsverständnis Bildung von Theorien Formulierung von Hypothesen Prüfung & Revision von Hypothesen und Theorien Bedeutung experimenteller Evidenz Reflexion des eigenen Erkenntnisprozesses

29 Design Trainingsklasse: Erhält eine Unterrichtseinheit (7 Doppelstunden) zu erkenntnis- und wissenschaftstheoretischen Aspekten. Kontrollklasse: Erhält konventionelle Curricula zu den gleichen Themen bei derselben Lehrerin (P. Grygier)

30 Probanden Stichprobe: N = 49 Viertklässler 29 Jungen, 20 Mädchen Alter: M= 10;4 (Spanne: 9;4 12;3) Trainingsklasse: n=27; Kontrollklasse: n=22 CFT 20 Rohpunkte für beide Gruppen vergleichbar (31)

31 Instrumente Vortest: Nature-of Science Interview (nach Carey et al., 1989) Flugzeugaufgabe (Variablenkontrolle) (Bullock, 1993) Wissenstest (Themen: Wahrnehmung, Hefe) CFT-20 Training : Hefe-Curriculum (adaptiert nach Carey et al., 1989) Wahrnehmungs-Curriculum (nach Grygier & Kircher, 1999) Nachtest: Nature-of Science Interview (nach Carey et al., 1989) Flugzeugaufgabe (Bullock, 1993) Wissenstest

32 Erkenntnistheoretisches Curriculum Trainingsklasse Wie zuverlässig ist unsere Wahrnehmung? Experimente zu Mechanismen der Wahrnehmung Kontrollklasse Wie arbeitet unsere Wahrnehmung? Wie sehen wir? (Der Weg des Lichts.) Wie unsere Augen getäuscht werden können. Schatten und Wirklichkeit vergleichen Wie können wir einen Kuchen sehen? (Die Reflektion des Lichts.) Schatten und Wirklichkeit untersuchen Was nehmen wir wahr, was können wir wissen? Wie sehen wir den Mond? (Der Weg des Lichts, Schatten.) Unsere Augen können getäuscht werden.

33 Wissenschaftstheoretisches Curriculum (nach Carey et al., 1989) Trainingsklasse Wir forschen wie die Wissenschaftler: Warum geht der Brotteig auf: Woher kommen die Löcher im Brot? Kontrollklasse: In der Versuchsbäckerei: Wie geht der Brotteig auf? Woher kommen die Löcher im Brot? Wir planen ein Experiment: Welche Zutaten lassen den Brotteig aufgehen? Wir experimentieren: Welche Zutaten lassen den Brotteig aufgehen? Zwei Theorien: Warum entwickeln sich Gase? Welche Zutaten lassen den Brotteig aufgehen? Was ist Hefe? Vom Korn zum Brot. Abschlussdiskussion

34 Wir forschen wie die Wissenschaftler... Über den Wissenschaftlichen Forschungsprozess: Beobachtung (Phänomen) Frage - Hypothese, Experiment Ergebnisse - Schlussfolgerungen. Experimente testen aus Theorien abgeleitete Hypothesen. Theorien sind vorläufig und veränderbar. Metatheoretischer Diskurs über Hypothesen und Theorien.

35 Ergebnisse Flugzeugaufgabe Testproduktion Wahlaufgabe 100% 100% 90% 90% 80% 80% 70% 70% 60% 60% 50% 50% 40% 40% 30% 30% 20% 20% 10% 10% 0% 0% TK Vor TK Nach KK Vor KK Nach TK Vor TK Nach KK Vor KK Nach kontrolliert kontrolliert kontrastiv kontrastiv konfundiert konfundiert kein kein Ergebnisse der Flugzeugaufgabe: Nur die Testgruppe verbessert sich vom VT zum NT signifikant sowohl bei der Testproduktion (Vorzeichen-Test, N = 26, p =.001) als auch bei der Wahlaufgabe (Vorzeichen-Test, N = 26, p =.002)

36 Das Nature of Science Interview (NoS) (Carey et al.; 1989; Smith et al.; 2000) 1) Ziele und Fragen der Naturwissenschaften z.b. Worum geht es denn eigentlich in der Wissenschaft? 2) Wesen und Ziele von Experimenten z.b. Machen Wissenschaftler Experimente? Warum (nicht)? 3) Die Bedeutung von Theorien und Hypothesen z.b. Wie entscheidet ein Wissenschaftler, was für ein Experiment er machen soll? 4) Die Beziehung zwischen Ideen (Theorien) und Evidenz z.b. Was passiert denn mit den Ideen/Theorien von Wissenschaftlern, wenn sie dann getestet wurden? 5) Fehler in der Wissenschaft z.b. Können Wissenschaftler auch Fehler machen oder sich irren?

37 Nature of Science Interview: Kategoriensystem (1) Leve Beschreibung l 1 Wissenschaft als Faktensammlung; kein Verständnis des Hypothesentestens. 1a 1b Wissenschaft als Aktivität; keine Differenzierung von Theorie und Evidenz. Sie probieren so rum, z.b. ob eine Medizin wirkt. Wissenschaft als Faktensammlung Die wollen wissen, ob es die Dinos wirklich gegeben hat. 1.5 Wissenschaft als Suche nach Zusammenhängen; diffuses Testverständnis. Die buddeln Knochen aus und vergleichen die und gucken so, wie die Dinos damals gelebt haben.

38 Nature of Science Interview: Kategoriensystem (2) Leve Beschreibung l 2 Wissenschaft als Suche nach Erklärungen und Mechanismen; Hypothesen sind Testbar. Aber Fokus entweder auf Erklärung oder Testen. Man könnte ein Experiment machen und eine Sache verändern, um zu gucken, ob man Recht hat. Er würde in die Bibliothek gehen und nachlesen, was man bereits heraus gefunden hat und dann damit weiter machen. 2.5 Integriert Aspekte aus Level 2; aber unklares Verständis interpretationsleitender Rahmentheorien. Wenn er schon was darüber weiss, könnte er daraus eine Vermutung bilden und die dann testen. 3 Explizites Verständnis von Rahmentheorien und des Hypothesentests.

39 Nos Ergebnisse (1): Anteil der Antworten auf den verschiedenen Niveaus 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% TK Vor TK nach KK Vor KK Nach mind. Level 1.5 Level 1b Level 1a Level 0 Mittlere Anzahl mind. 1.5 im Nachtest höher für TK als KK (t (45) = 3.93; p =.000); signifikante Verbesserung der TK (t (25) = 6.79; p =.000); p =.000);

40 NoS Ergebnisse (2):Konsistenz Anteil der Probanden, die mind. 9 Fragen mind. auf Level 1.5 beantworten 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% TK KK Vortest Nachtest mehr Pbn der TK als der KK im Nachtest (Mann-Whitney-U p =.046; Vortest ns) marginal signifikante Erhöhung des Anteils in der TK (McNemar: TK: p =.07; KK: ns.) besonders im Bereich Experiment Verbesserung der TK (Wilcoxon p =.000)

41 Schlussfolgerungen Vorgefunden wurden (Fehl-)Vorstellungen über den wissenschaftlichen Erkenntnisprozess (= Ebene 1 Verständnis) bei Grundschülern Kurzfristige curriculare Intervention hat Effekte sowohl auf das epistemologisches Verständnis wie auch die Experimentierfähigkeiten in Transferkontexten. Nur explizite Vermittlung von Wissenschaftsverständnis ist wirksam. Bloßes Involvieren der Schüler in einen interessanten Explorationsprozeß genügt nicht.

42 Effekte längerfristigen wissenschaftstheoretisch orientierten Unterrichts? - Schulvergleich in USA (Smith et al., 2000). Wissenschaftstheoretisch unterrichtete Klasse über den gesamten Grundschulzeitraum im Vergleich zu gutem Standard-Unterricht. - Laufende BIQUA Studie: Effekte von sechs Monaten WV im Sachkundeunterricht der Grundschule. - Studie in Montessori-Schule (starke Betonung von selbstgesteuerten Explorationsprozessen; Anregung zu geplanten Vergleichen).

43 NoS Ergebnisse (2):Konsistenz Anteil der Probanden, die mind. 9 Fragen mind. auf Level 1.5 beantworten 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% TK KK Monte 3. Monte 4. Monte ges. Vortest Nachtest mehr Pbn der TK als der KK im Nachtest (Mann-Whitney-U p =.046; Vortest ns) marginal signifikante Erhöhung des Anteils in der TK (McNemar: TK: p =.07; KK: ns.) besonders im Bereich Experiment Verbesserung der TK (Wilcoxon p =.000)

44 Flugzeugaufgabe:Testwahl: Schulvergleich 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 30% 33% 33% 81% 79% 84% 73% 13% 4% 9% 5% 11% 11% 11% 13% kontrolliert kontrastiv konfundiert kein Test TK Vortest TK Nachtest Monte ges. Monte 3. Monte 4.

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!