Naturwissenschaft Martin Bruch Problemlösendes Lernen im Physikunterricht Aktuelle Lerntheorien, problemorientierter Unterricht und Besonderheiten der Physikdidaktik Examensarbeit
Universität Konstanz Erziehungswissenschaft FB Geschichte und Soziologie PROBLEMLÖSENDES LERNEN IM PHYSIKUNTERRICHT Aktuelle Lerntheorien, problemorientierter Unterricht und Besonderheiten der Physikdidaktik Wissenschaftliche Arbeit für das Lehramt an Gymnasien von Martin Bruch Konstanz 2006
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3 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung...7 2. Lerntheoretische Grundlagen..10 2.1. Verschiedene Aspekte des Wissenserwerbs..10 2.1.1. Motivation und Interesse beim aktiven Wissenserwerb..11 2.1.2. Selbstgesteuerter Wissenserwerb..12 2.1.3. Konstruktiver Wissenserwerb..13 2.1.4. Situativer Wissenserwerb..13 2.1.5. Wissenserwerb im sozialen Zusammenhang..14 2.2. Förderung des Wissenserwerbs..15 2.2.1. Systemvermittelnde Lernumgebungen..16 2.2.2. Problemorientierte Lernumgebungen..17 2.2.3. Adaptive Lernumgebungen..18 2.3. Vorwissen und Wissensstrukturen..19 2.3.1. Bereichsbezogenes Wissen..19 2.3.2. Strategisches Wissen..20 2.3.3. Metakognitives Wissen..20 2.4. Wissensstrukturen und Concept Maps..21 2.4.1. Methoden zur Erstellung von Wissensstrukturen..21 2.4.2. Concept Maps..24 3. Lernfördernde Funktionen von Beispielen und deren Bedeutung beim Problemlösen..27 3.1. Relevanz von Beispielen..27 3.2. Beispielarten..29 3.3. Beispiele und ihre Funktion..31 3.3.1. Motivationale Funktion..32 3.3.2. Beispiele als Materialien für exploratives Lernen..32 3.3.3. Beispiele als Illustration allgemeiner Prinzipien und Prozeduren..33 3.4. Optimierung von Beispielen..34
4 4. Problemlösendes Lernen..36 4.1. Definition eines Problems..36 4.2. Problemarten..37 4.3. Problemlösen und Lernprozesse..38 4.3.1. Die Grundlagen für erfolgreiches Problemlösen..39 4.4. Verbesserung des Problemlösens..40 5. Transferprozesse..43 5.1. Arten und Formen des Lerntransfers..43 5.2. Äußere Einflussnahme zur Verbesserung analogen Transfers..45 5.2.1. Modellbegründete Instruktion..45 5.2.2. Struktur-Abbildungs-Theorie..45 5.2.3. Ausgearbeitete Beispielaufgaben..46 5.2.4. Metakognitive Kontrolle..47 6. Didaktische Ansätze problemorientierten Lernens..48 6.1. Problembewusstsein und Motivation..48 6.2. Problemorientierter Unterricht..50 6.3. Die Praxis des Klassengesprächs..51 6.4. Selbständiges Problemlösen der Schüler..53 6.5. Der Ansatz des Cognitive Apprenticeship..54 6.6. Kreativität und die Fähigkeit Probleme zu stellen..55 7. Fachdidaktische Ansätze problemorientierten Lernens..57 7.1. Die Rolle des Experiments im (problemorientierten) Physikunterricht..57 7.1.1. Verschiedene Experimentierformen und ihr Erfolg..60 7.1.2. Didaktische Leistungen des Computereinsatzes..63 7.2. Zum Einsatz von Schulbuch und Fachsprache im (problemorientierten) Physikunterricht..64 8. Planung des Unterrichts..67 8.1. Bestimmung und Präzisierung des (Basis-) Lehrstoffs..68 8.2. Darstellung des Lehrstoffs als Aufgabenklasse..70
5 8.3. Von der Aufgabenklasse zu konkreten Aufgaben..72 9. Schlussbetrachtung..77 10. Literaturverzeichnis..78
6 Vorwort Ziel dieser Arbeit war es, die aktuellen Thesen und pädagogischen sowie didaktischen Ansätze zum Thema problemlösendes Lernen mit einem Bezug zum Fach Physik darzustellen und zu diskutieren. Somit bietet sie eine kompakte und anwendungsorientierte Übersicht aus der sich der Physiklehrer Inspirationen zur Unterrichtsgestaltung und für die Verbesserung der Problemlösefähigkeit seiner Schüler holen kann. Die Arbeit wurde jedoch so angelegt, dass sie auch für Lehrer anderer Fächer leicht zugänglich und hilfreich ist, nicht zuletzt deswegen, weil die im Text verwendeten Beispiele des Physikunterrichts einfach gehalten sind und den speziellen Aspekten der Physikdidaktik ein eigenes Kapitel gewidmet wurde. Dieses kann von Lehrern anderer Fächer einfach übersprungen werden, wenngleich insbesondere für die anderen naturwissenschaftlichen Fächer hier einige interessante Parallelen zu sehen sind. Um die praxisbezogene Ausrichtung abzurunden, stellt das letzte Kapitel einige wichtige Hilfen zur Unterrichtsplanung zur Verfügung. Grundlage hierfür war das erfolgreiche und bewährte Verfahren PLANA, das hier aufgrund neuerer Erkenntnisse teils etwas überarbeitet wurde (Einarbeitung von Beispielen, Zielsetzung der Überprüfungsaufgaben). Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Wolfgang K. Schulz, der diese Arbeit betreute und mir immer wieder mit seinem fachlichen Rat und hilfreichen Vorschlägen zur Seite stand. Weiterhin danken möchte ich Frau Elisabete Rebstein-Fernandez, Frau Almuth Haverkamp und Herrn Andreas Dreher, die die Arbeit Korrektur lasen, sowie meiner Frau Hanna für ihre Geduld und Unterstützung in den zahlreichen Stunden, die ich mit der Lektüre von Quellen, in Gedanken versunken oder mit der Schreibarbeit am Computer verbrachte. Der größte Dank schließlich geht an den Herrn Er weiß, was Er für mich getan hat. Radolfzell am Bodensee, Oktober 2006 Martin Bruch