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Forschendes Lernen und Wissenschaftsverständnis im
kompetenzorientiertenNaturwissenschaftsunterricht
Manfred Bardy‐Durchhalter
1. Versuch
4. Aufgaben3. Kompetenz
2. Theorie&
Praxis
1. Versuch
• Wie viel Tropfen Wasser passen auf ein Cent‐Stück?
• In Zweiergruppen: Planung, Durchführung und Dokumentation dieses Versuchs
Versuchsanordnung
• Welche Geltungsbereiche und Einschränkungen gelten für die gewonnenen Ergebnisse?
• Welche Veränderungen in der Versuchsanordnung erscheinen sinnvoll?
• Welche Vorhersagen lassen sich treffen?
Eigenschaften von Euro‐Cent Münzen
Wert Durch‐messer Fläche Dicke Masse Rändel‐
ung Material Ferromag‐netisch
1 Cent 16,25 mm 207,39 mm2 1,67 mm 2,30 g glatt Stahl mit Kupfer‐ummante
lung(94,35 % Fe, 5,65 % Cu)
ja2 Cent 18,75 mm 276,12 mm2 1,67 mm 3,06 gglatt mit umlaufender Kerbe
5 Cent 21,25 mm 354,66 mm2 1,67 mm 3,92 g glatt
http://de.wikipedia.org/wiki/Eurom%C3%BCnzen
• Welche Elemente von naturwissenschaftlicher Forschung tauchen in der Dokumentation auf?
2. Theorie&
Praxis
Spekulieren, induktives und deduktives
theoriegeleitetes Nachdenken.
Vermuten – Hypothesen bilden(Forschungsfrage entwickeln)
Ergebnisse voraussagenbezogen auf FF und /oder
Hypothesen
Kritische Diskussion der Beobachtungen
und/oder der Theorie
Beobachtung – Daten ‐‐‐Modelle
Resultate,die die Hypothesen nicht stützen
“Nullhyhothesen”
Design von Experimenten zur Prüfung der Validität (Gültigkeit / Belastbarkeit dieser Annahmen)
Weitere Voraussagen,Neue Experimente,
Weiterentwicklung der Theorie
Resultate,die die Hypothesen stützen
Validierung durch die Scientific Community (Peers)
Verändert nach Jessica Gurevitch et al. 2002, 3The scientific method. The cycle of speculation, hypothesis, and experimentation is cirular, as new questions constantly emerge from the answers scientists obtain.
Auf der Suche nach Erklärungen
Inquiry LearningProblemlösendes Lernen
Fragend‐Entdeckendes Lernen
exploratives Lernen
problemorientiertes Lernen
Forschend‐begründendes Lernen
Forschendes Lernen
Problemlösendes Lernen
Wissen Bewerten
Handeln
‐ Sachkompetenz‐wissenschafts‐theoretische Kompetenz
‐ Lern‐ und Denkkompetenz‐ Prozedurale Kompetenz
‐ Kommunikations‐Kompetenz
‐ Soziale Kompetenz
nach: Wolfgang Gräber, Peter Nentwig, Peter Nicolson (2002). Scientific Literacy ‐ Von der Theorie zur Praxis In: Gräber, W., et al.(Hrsg.), Scientific Literacy. Der Beitrag der Naturwissenschaften zur Allgemeinen Bildung. (1. Aufl., S. 21‐43). Opladen: Leske + Budrich.
ScientificLiteracy
Forschendes Lernen
‐ Ethische Kompetenz‐ demokratische Kompetenz‐ Patrizipations‐kompetenz
Wissenschafts‐verständnis
…. Kennzeichen einer Inquiry Lernumgebung
Stäudel, L. (2007). Die Spinnennetz‐Methode ‐ Analyse naturwissenschaftlicher Arbeitsformen im Unterricht Naturwissenschaftliches Arbeiten ‐ Unterricht und Material 5‐10. R. Duit, H. Gropengießer and L. Stäudl. Seelze, Friedrich Verlag: 9.
Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen
nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.
Standards der Erkenntnisgewinnung
Wissenschaftliches Denken(Scientific reasoning)
Wissenschaftliche Untersuchungen (Scientific Inquiry)
Charakteristika der Naturwissenschaften(Nature of Science)
Wissenschaftliche Arbeitstechniken (Practical work)
Manuelle Fertigkeiten(Practical Skills)
Wissenschaftsverständnis(Epistemological views)
Kompetenzkonstrukte
Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen
nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.
• Mikroskopieren, Zeichnen• chemische Nachweise/Physik. Messung• Sicherheitsaspekte im Labor
Standards der Erkenntnisgewinnung
Wissenschaftliche Arbeitstechniken (Practical work)
Manuelle Fertigkeiten(Practical Skills)
Kompetenzkonstrukte
Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen
nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.
• Naturwissenschaftliche Fragen/Hypothesen formulieren• Untersuchungen planen und durchführen• Daten auswerten; Mathematisierung• Empirische Daten interpretieren• Beobachten, Experimentieren, Vergleichen & Ordnen, Bestimmen, Untersuchen, Beschreiben
• Modelle zur Erkenntnisgewinnung nutzen
Standards der Erkenntnisgewinnung
Wissenschaftliche Untersuchungen (Scientific Inquiry)
Wissenschaftliches Denken(Scientific reasoning)
Kompetenzkonstrukte
Rahmenkonzept wissenschaftsmethodischer Kompetenzen
nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.
• Grundzüge & Grenzen d. Naturwissenschaft• Beurteilen der Aussagekraft von Modellen• Naturwissenschaft und Gesellschaft
Standards der Erkenntnisgewinnung
Charakteristika der Naturwissenschaften(Nature of Science)
Wissenschaftsverständnis(Epistemological views)
Kompetenzkonstrukte
Radits - Basics of Biology-Teaching -Information, Wissen, Sprache
Welche Wissenschaft gilt es zu verstehen?
• Es gibt sehr unterschiedliche Angebote von naturwissenschaftlichem Wissen. Welche verwenden wir im Unterricht ?
• Wie vertrauenswürdig (wie wahr, richtig, verlässlich,...) ist naturwissenschaftliches Wissen?
• Wer produziert naturwissenschaftliches Wissen? Womit beschäftigen sich NaturwissenschaftlerInnenüberhaupt?
Welche Wissenschaft gilt es zu verstehen?
nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.
• Beobachten, Experimentieren, Vergleichen, Ordnen,
Die Schwierigkeit des „Schauens“
http://www.ariva.de/full_pic‐12_a81232http://www.onlinewahn.de/kipp‐j.gifhttp://www.oberlehrer.de/wp‐content/uploads/2009/12/optische_taeuschungen.jpg
Vergleichen in der Biologie
• Theoriegeleitetes, zweckgerichtetes Auswählen von Vergleichskriterien meist anatomischer und/ oder morphologischer Elemente
• Theoriegeleitetes Prüfen ob die ausgewählten Elemente gleich oder ungleich sind
• Theoriegeleitetes, zweckgerichtetes Auswählen von Vergleichskriterien (meist anatomischer und/ oder morphologischer Elemente)
• Theoriegeleitetes Prüfen ob die ausgewählten Elemente gleich oder ungleich sind
Gleich oder Ungleich ?
nach http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Beutelwolf_fg01.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8e/Skull_of_a_horse.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/02/Skull_of_a_dog.png
Mögliche Kriterien
• Verknöcherter Schädel• Größe• Grafik/Foto• Säugetiere• Tetrapoden• Paarhufer/Sohlengänger• Fleisch‐/Pflanzenfresser• Seitenansicht, Aufsicht • …
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Thylacinus.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/23/Canis_lupus.jpgnach http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Beutelwolf_fg01.jpg
Beutelwolf (Thylacinus
cynocephalus)
Wolf (Canis lupus)
Ordnen in der Biologie
nach Gropengießer, Kattmann, Krüger (2010). Biologiedidaktik in Übersichten
• Gruppieren von Elementen, die im Vergleich eine gemeinsame Eigenschaft zugeschrieben werden
• Schaffung von Ordnungssystemen lehnt sich in der Biologie oft an evolutionären Vorgängen an
Karotte KukuruzSchneeglöckerl
Klatschmohn Rotklee Erbse Weizen
Hundsrose
alle Grafiken: Wikipedia, tw. verändert
naturnaher Garten
Gemüse
Feldfrüchte
Einkeimblättrige
Zweikeimblättrige
nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.
• Beobachten, Experimentieren, Vergleichen, Ordnen,
Beobachtung in der Biologie
Zeit 1Zeit 2Zeit 3
Zeit 4Zeit 5
Beobachtung in der Biologie
Zeit 1Zeit 2
Zeit 3
Zeit 4Zeit 5
Zeitpunkt Höhe Merkmal
5 22,0 X
4 20,4 m
3 12,5 Z
2 7,0 A
1 4,1 b
Beobachtungsprotokoll
Beobachtung in der Biologie
• Keine Manipulation von Objekten bei Beobachtungen
• Beobachtungen erfolgen häufig indirekt (mit technischen Instrumenten)
• Wissenschaftliche Beobachtungen sind selektive theorie‐ und hypothesengerichtete Wahrnehmungen
Ergebnis einer Beobachtung:Eigenschaften, Merkmale können erfasst, häufig quantifiziert (gemessen, gezählt) werden und vor Theoriehintergrund interpretiert
nach Mayer, J. (2007). Erkenntnisgewinnung als wissenschaftliches Problemlösen. In: Theorien in der biologiedidaktischen Forschung. D. Krüger and H. Vogt: 177‐186.
• Beobachten, Experimentieren, Vergleichen, Ordnen,
Experimentieren in der Biologie
Experimentieren in der Biologie
• Manipulation der Objekte des Experiments durch kontrolliertes Verändern von (ideal) einem Parameter
• Ideale in der Biologie schwierig umzusetzen weil sie mit lebenden Systemen arbeitet
• Wiederholbarkeit wird deshalb über statistische Aussagen definiert (zB. 96% der Individuen einer Art verhalten sich so)
Ergebnis eines Experiments:a. Vergleich der Messergebnisse der Parametermanipulationb. unter Einbindung von theoretischen Elementen können
Zusammenhänge (Ursache‐Wirkungsbeziehungen) zwischen den Parametern postuliert werden
3. Kompetenz
Der Kompetenzbegriff
„…die bei Individuen verfügbaren oder die durch sie erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen, sowie die damit verbundenen motivationalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften und Fähigkeiten, um die Problemlösungen in variablen Situationen erfolgreich und verantwortungsvoll nutzen zu können.“ (Weinert)
(Weinert 2001. Leistungsmessungen in Schulen. Weinheim: Beltz, s. 28)
Kompetenzorientierter Nawiunterricht
B1-B5 / C1-C5 / P1-P5
InhaltsdimensionW
E
S
Handlungsdimension
N1N2
N3
Anforderungsdimension
Handlungsdimension
38
W
E
SKompetenzmodell NAWI 8 (Oktober 2011)
Wissen organisieren
Erkenntnisse gewinnen
Schlüsse ziehen
aneignen, darstellen,
kommunizieren
fragen, untersuchen,interpretieren
bewerten, entscheiden, handeln
Weitere OPERATOREN z. B.• Benennen• Beschreiben• …
W Wissen organisierenaneignen, darstellen,
kommunizieren
Weitere OPERATOREN z. B.• Beobachten, Messen• Hypothesen aufstellen• Untersuchungen planen, durchführen, protokollieren
• Ergebnis reflektieren
E Erkenntnisse gewinnenfragen,
untersuchen, interpretieren
Weitere OPERATOREN z. B.• naturwissenschaftliche von nicht‐naturwissenschaftlichen Argumenten unterscheiden
• Chancen und Risiken erkennen
S Schlüsse ziehenbewerten,
entscheiden, handeln
4. Aufgaben
http://www.ipn.uni‐kiel.de/projekte/piko/; http://bik.ipn.uni‐kiel.de/typo3/index.php?id=3; http://www.chik.de/; http://www.sinus‐transfer.de/; http://www.parsel.uni‐kiel.de/cms/; http://ius.uni‐klu.ac.at/misc/profiles/articles/view/21
Lehr‐ / Lernforschung besagt …
• ... dass jede Schülerin /jeder Schüler ihr/sein Wissen individuell konstruiert
• ... dass Wissen situiert (an Kontexte gebunden) ist, deshalb auch situiert erworben werden sollte
• … Wissen in relevanten Situationen „funktionieren“ muss• ... dass situiertes Wissen besser angewendet und
vernetzt werden kann.
Vom Kompetenzmodell zur Aufgabe
Leitfragen zur Themenwahl (Kontext)
• Wird der Kontext von Schülerinnen und Schülern als relevant wahrgenommen?
• Mit welchem Vorwissen und welchen Fragen der Lerngruppe muss man rechnen?
• Lassen sich die im Lehrplan geforderten Fachinhalte am Kontext erarbeiten?
• Welches Basiskonzept lässt sich an dem Kontext besonders gut entwickeln?
• Welche Kompetenzen können anhand des Kontextes erarbeitet werden?
http://www.chik.de/Leitfaden/lehrerleitfaden.pdf
Vom Kompetenzmodell zur Aufgabe
Schritte zur Unterrichtsplanung
• Materialrecherche und –entwicklung• Einstiegsimpuls soll Neugier wecken• Eigene Arbeitsphasen (Methodenvielfalt)• Vertiefungs‐ und Vernetzungsphase• Überlegungen zur Lernerfolgskontrolle
• Durchführung und Evaluation
http://www.chik.de/Leitfaden/lehrerleitfaden.pdf
Gute Aufgaben im Unterricht
… sind sinnvoll und interessant.… greifen lebensweltliche Kontexte auf.… passen zu den Lernvoraussetzungen: Die Schülerinnen
und Schüler fühlen sich herausgefordert. Sie können etwas lernen und sie erleben ihre Kompetenzen
… berücksichtigen Schülervorstellungen und setzen sie in Beziehung zu fachlichen Vorstellungen und wissenschaftlichen Theorien.
Gropengießer, Höttecke, Nielsen, Stäudel (Hrsg.) 2006. Mit Aufgaben lernen. Unterricht und Material 5‐10; Friedrich Verlag. S4
Gute Aufgaben im Unterricht
… verknüpfen das Erarbeitete mit anderen Wissens‐und Anwendungsgebieten.
… fordern naturwissenschaftliches Denken und Arbeiten.… fordern die Fähigkeit, selbstständig, beharrlich und
einfallsreich Probleme zu lösen.… unterstützen die Kooperation und Kommunikation der
Schülerinnen und Schüler untereinander.
Gropengießer, Höttecke, Nielsen, Stäudel (Hrsg.) 2006. Mit Aufgaben lernen. Unterricht und Material 5‐10; Friedrich Verlag. S4
Merkmale des problemorientierten LernensProblemlösendes Lernen Fragend‐Entwickelnder
Unterricht
Einstieg in die Lernaktivität Eröffnung eines Fragen‐ und Problemfeldes durch die Problemkonstellation
Wiederholung, Haus‐aufgabenkontrolle, Informierender Einstieg, Erfragen von Vorkenntnissen
Steuerung durch Lehrkraft Tritt stark in den Hintergrund Steht im Vordergrund
Art der Instruktion durch die Lehrkraft
Indirekt: Begleitung des Entdeckungsprozesses;zeitweises Anleiten, Darbieten und Erklären
Direkt: Kontinuierliches Anleiten, Darbieten, Erklären
Wissenserwerbes der Lernenden
Wissen vom Lernenden aktiv generiert und konstruiert
Wissen wird instruktionalvermittelt
Erwerb von Strategien des Problemlösens
Ja Nein
Lernverhalten Aktiv, selbstständig, explorativ
Passiv, rezipierend
Nach: Sandra Hof (2010): Wissenschaftsmethodischer Kompetenzerwerb durch Forschendes Lernen. Entwicklung und Evalutaion einer Interventionsstudie. Kassel University Press. Seite 33
Rollen werden neu verteilt
Schülerinnen und Schüler als Bezugspunkte suchen ihre eigenen Fragen und können ihr eigenes Interesse einbringen.
Von der Wissensquelle zum WissensmanagerAustausch zwischen Gruppen ist wesentlich,
einerseits innerhalb von kleinen Forschungs‐gruppen, andererseits über die Ergebnisse zwischen den Forschungsgruppen.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/22/Max_und_Moritz.JPG/220px‐Max_und_Moritz.JPGhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e9/L%C3%A4mpel.jpg/220px‐L%C3%A4mpel.jpg
Aufgabendiskussion
• Wählen Sie in Kleingruppen eine Aufgabe aus• Lesen Sie ihre Aufgabe und sammeln Sie Punkte die in ihrer Gruppe diskutiert werden.
http://www.parsel.uni‐kiel.de/cms/fileadmin/parsel/Partner_Websites/kiel_berlin/soap_schueler.dochttp://ius.uni‐klu.ac.at/misc/profiles/files/materials/de/Fotosynthese%20AECC.pdfhttp://www.ipn.uni‐kiel.de/projekte/piko/pikobriefe032010.pdf
• Diskutieren Sie vorkommende Elemente des forschenden Lernens
• Woher stammt das Fachwissen?• Welche Rolle nimmt die Lehrperson ein?• Wie arbeiten die SchülerInnen?
• Was hat das mit meinem Unterricht zu tun?