Methodenfeuerwerk oder nachhaltiger Unterricht. Elsbeth Stern Professur für Lehr- und Lernforschung MINT-Lernzentrum der ETH

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1 Methodenfeuerwerk oder nachhaltiger Unterricht Elsbeth Stern Professur für Lehr- und Lernforschung MINT-Lernzentrum der ETH

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 Gibt es eine Teilmenge? 6

7 Gibt es eine Teilmenge? Antwort: Nein, Mengen müssen so aussehen: 7

8 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.

9 Abstraktes Begriffswissen: Speicherung von Energie

10 Umgestaltung des Begriffswissens: Von Oberflächenmerkmalen zu abstrakten Merkmalen

11 Umgestaltung des Begriffswissen: Gewicht ist nicht das, was sich schwer anfühlt, sondern was sich messen lässt. 11

12 Wie lässt sich der Erwerb intelligenten Wissens fördern? (1) Schülervorstellungen kennen und aktiv nutzen (2) Kognitiv aktivierende Phänomene als Einstieg verwenden (3) Erfinden mit kontrastierenden Fällen (4) Aufträge für Selbsterklärungen geben (5) Metakognitive Fragen stellen (6) Forschendes Lernen anleiten und strukturieren

14 (1) Schülervorstellungen 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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17 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.

19 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.

20 Kommen die Kugeln gleichzeitig ins Ziel?

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

23 Dr. Esther Ziegler Kontrastierende Übungen in frühen Algebra-Unterricht ETH Zürich Taskforce Kommunikation

24 Challenges of Algebra Similar concepts Dealing with the rule system ( Confusing the rules for addition and multiplication 2 + a 2a but 2 a = 2a (the «times» sign is cancelled) a a a a 4a but a + a + a + a = 4a esther.ziegler@ifv.gess.ethz.ch 24

25 Example of students errors in term transformation

26 Comparisons as contrasts Concept of addition Concept of multiplication m + m + a + m + a + m = a + a + m + m + m + m m m a m a m = a a m m m m = 2 a + 4 m = a 2 m 4 = 2a + 4m Better than sequential presentation? = a 2 m x + z + x x = x + x + x + z x z x 4 x = 4 4 x x x z = 3 x + 1 z + 8 = 16 x 3 z 1 = 3x + z + m + 8 m + a + m + a a m + m = a = a + m a + m + m m m + m + m = 16x 3 z = = a 2 2 a m m = = a 2 m2a 4 + 4m 44 + x + z + x + 44 x + x = = 4 x 4 + x + x x + x z z = = 163 x x z 1 z + 8 = = 16x 3x 3 z + z esther.ziegler@ifv.gess.ethz.ch 26

27 Self-learning programm: Introduction of Algebra Training sessions: 4 days - 2 hours processing of 9 work sheets Immediate learning tests Follow-up sessions: 3 follow-up tests à 60 minutes Participants: 302 children, 12.5 years, 28 school classes esther.ziegler@ifv.gess.ethz.ch 27

28 Materials: Work sheet - No 3 Addition Multiplication Work sheet 3a xy + xy + xy = 3 xy = 3xy xy xy xy = x y x y x y = x x x y y y = x 3 y 3 = x 3 y 3 2b + 2b + 2b + 2b + 2b = 5 2b = 10b 3cx + 3cx = 2 3cx = 6cx 2b 2b 2b 2b 2b = 2 b 2 b 2 b 2 b 2 b = b b b b b = 32 b 5 = 32b 5 3cx 3cx = 3 c x 3 c x = 3 3 c c x x = 9 c 2 x 2 = 9c 2 x 2 Compare the examples in the left and the right column together. What do you notice? Describe what is different. Formulate detailed instructions for a classmate who has to solve similar problems. Describe all the intermediate solution steps that were done in words. In the addition: In the multiplication: worked examples self-explanation part Invent 2 varied examples, along with the solution steps, for each box. Write down all the intermediate steps to the solution like those given in the examples. trials tasks Trial tasks Work sheet 3b Write down all the intermediate solution steps as in the examples Task 1 3x + 3x = Task 2 Task 3 Task 4 Task 5 Task 6 2bc 2bc 2bc = rt + rt + rt = trial tasks ay ay ay = 4ay + 4ay + 4ay + 4ay = 5n 5n 5n = Control the above tasks yourself by referring to the front side! Pay attention so you do not confuse addition with multiplication. Show your trial tasks to the test leader to be checked! Ok! Give a tip to yourself as to what you should pay attention to in order not to confuse addition with multiplication so you will remember it one week later. Let the test reader correct Solve the trial tasks on the next page without using this page! Ok! Show the test leader your comments to be checked and get the trial tasks A3! esther.ziegler@ifv.gess.ethz.ch 28

29 Experiment: Effect of contrasting Contrasting Sequencing Contrast group 4 days: training Comparison of addition and multiplication Sequential group 2 days: addition training 2 days: multiplication training End of 4 th day: training of mixed problems esther.ziegler@ifv.gess.ethz.ch 29

30 Results: Follow-up tests Hypotheses confirmed! Contrast group better Repeated Measurement ANOVAs Algebraic problem solving: F(1,151) = , p <.001 Algebraic concept explanations: F(1,151) = , p <.01 Algebraic misconceptions: F(1,151) = , p <.001 However, no differences in careless errors! esther.ziegler@ifv.gess.ethz.ch 30

31 Results: Training However!!! Contrast group - worse during the training Multivariate ANOVA: F(2, 151) = , p <.001 Repetition tests: t (1, 152) = 5.643, p <.01 Learning tests: t (1, 152) = 7.229, p < esther.ziegler@ifv.gess.ethz.ch 31

32 ATI Effects: Follow-up test 3 Multivariate ANOVA: 2 (group) x 2 (level) design: Effect of group: F(3, 95) = 3.808, p <.05 Effect of level : F(3, 95) = 6.748, p <.001 Group x Level: F(3, 95) = 0.127, p = esther.ziegler@ifv.gess.ethz.ch 32

34 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.

35 Selbsterklärungen Fragen des ersten Typs: - Was bedeutet? - Beschreibe in Deinen eigenen Worten. Fragen des zweiten Typs: - Worin stimmen und überein? - Welche Gemeinsamkeiten und welche Unterschiede bestehen zwischen der vorliegenden Aufgabenstellung und anderen Aufgaben, die Du bereits gelöst hast?

36 Selbsterklärungen Ergebnisse: Die Schüler, die dazu angeleitet wurden, beim Lesen von Texten ihr Vorwissen zu aktivieren, zeigen bessere Leistungen als die Schüler, die nicht explizit dazu aufgefordert wurden.

37 Effekte (1) Direkte Instruktionen und Selbsterklärungen fördern das Verständnis der richtigen Lösungswege. (2) Selbsterklärungen unterstützen zudem den Erwerb von flexibel einsetzbarem Wissen (Transfer) sowie die Speicherung korrekter Lösungsstrategien im Gedächtnis und zwar unabhängig von der Unterrichtsform.

38 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

39 Je höher die Qualität der Selbsterklärungen ist, desto größer ist auch der Lernerfolg.

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

41 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?

42 Wie würden Sie jemandem, der glaubt, in diesem Fall gäbe es keine Reaktionskraft, erklären, warum diese Ansicht falsch ist?

44 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

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

46 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?

47 Arten von metakognitiven Fragen Die Schüler wurden trainiert, mit den folgenden Arten von Fragen selbständig ihre Aufmerksamkeit auf die eigenen Lernprozesse zu richten: 1) Verständnisfragen: Habe ich verstanden, worum es bei der Aufgabe geht? 2) Verknüpfungsfragen: In welchen Hinsichten ist die vorliegende Aufgabe anderen Aufgaben ähnlich, die ich bereits bearbeitet habe und in welchen Hinsichten unterscheidet sie sich von ihnen?

48 Metakognitives Training 3) Strategiefragen: Welches ist die beste Strategie zur Lösung dieser Aufgabe und aus welchen Gründen ist sie die beste Strategie? 4) Reflexionsfragen: Welche Bedeutung besitzt diese Aufgabe in einem größeren Zusammenhang?

49 Gründe für die positiven Wirkungen der metakognitiven Anleitungen zum selbständigen Lernen: (1) Reflexion und Kontrolle der eigenen Lernfortschritte (weniger Verstehensillusionen) (2) gezielte Integration neuer Informationen in das bereits bestehende Vorwissen (3) eigenständige Gestaltung der Wissensorganisation

50 Kannst Du am Modell der Kugelwelle erklären, warum Geräusche bei der Ausbreitung immer leiser werden?

52 Beim Forschenden Lernen geht es um den Aufbau von Kompetenzen: - Kompetenz zur Beurteilung, unter welchen Bedingungen Experimente aussagekräftig sind - Kompetenz zur Konzeption und Durchführung eigener einfacher Experimente - gegen sich arbeiten : Gegenhypothesen so stark wie möglich machen Damit Forschendes Lernen lernwirksam werden kann, muss es von der Lehrperson durch klare Instruktionen angeleitet werden.

53 Beurteilung der Aussagefähigkeit von Experimenten

54 1) Fragestellung formulieren 2) Hypothesen aufstellen 3) Versuch darstellen 4) Beobachtungen beschreiben 5) Versuch interpretieren und ggf. Hypothesen revidieren

55 Generalisierung der durch Beobachtung gewonnenen Ergebnisse

56 Forschendes Lernen Abstimmung des Theorieteils auf die Anleitungen zum Forschenden Lernen Klare Instruktionen zur Strukturierung des Vorgehens Hypothesen und Gegenhypothesen aufstellen und begründen Hypothesengeleitet Beobachten Anleitungen zur Auswertung der Ergebnisse

57 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.

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59 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.

60 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.

61 Studie Warum schwimmt ein grosses Schiff aus Stahl? Lernumgebung mit verschiedenen Lernmaterialien / Primarschüler (Hardy et al.) Fehlkonzepte aus dem Weg räumen durch Handeln mit verschiedenen Lernmaterialien Lernumgebung allein reicht nicht aus, es braucht eine gute Anleitung des Lehrers zur sinnvollen Nutzung Sequenzieren, Hypothesen aufstellen, geleitete Diskussionen, Vergleiche anregen high instructional support versus low instructional support 61

62 Resultate High instructional support Höhere Werte in Konzeptveränderungen Zunahme von angemessenen wissenschaftlichen Erklärungen Abnahme der Fehlkonzepte Höhere Werte im Transfertest Langzeiteffekte in Nachuntersuchung 1 Jahr später Implikationen Es braucht eine gut strukturierte Anleitung beim Erwerb Naturwissenschaftlicher Konzepte 62

63 Was macht lernwirksamen Unterricht aus? Nicht die Methode: Diese müssen an das Vorwissen und den zu lehrenden Inhaltsbereich abgestimmt sein «Guter Unterricht kann auf unterschiedliche, aber nicht auf beliebige Weise realisiert werden» Franz E. Weinert Gute Lehrpersonen wissen, wie man an das Vorwissen der Lehrer anknüpft «Guter Unterricht ist schülerzentriert aber lehrergesteuert». Franz E. Weinert Kreativität 63

64 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ww.educ.ethz.ch/mint/index