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Naturwissenschaftsunterricht transdisziplinär und integriert – eine Utopie? 8. Schweizer Forum Fachdidaktiken Naturwissenschaften – 24. Januar 2014.

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1 Naturwissenschaftsunterricht transdisziplinär und integriert – eine Utopie? 8. Schweizer Forum Fachdidaktiken Naturwissenschaften – 24. Januar 2014

2 Gliederung Einleitung: Transdisziplinarität – Integrierter Unterricht Naturwissenschaftliche Grundbildung und Bildungsstandards Das Fach Naturwissenschaften (in NRW) Kontexteffekte Gendereffekte Gelungenes Beispiel: HIGHSEA-Projekt in Bremerhaven Unterrichtsmaterial Zusammenfassung und Ausblick Elke Sumfleth2

3 Interdisziplinäres Arbeiten Voraussetzungen Fachkompetenz in der eigenen Disziplin und das Wissen um deren Stärken, Schwächen und Bedingtheiten Toleranz und Akzeptanz gegenüber anderen Disziplinen Wissen um die Handlungsformen anderer Disziplinen Teamkompetenz und kommunikative Kompetenz (Defila & Giulio,1996, S. 130) Interdisziplinarität ist ein herzustellender Zustand, eine spezifische, besonders voraussetzungsvolle Form wissenschaftlicher Kommunikation…, setzt einschlägiges disziplinäres Wissen voraus (Kaufmann, 1987, S.70) Elke Sumfleth3

4 Von Multidisziplinarität zu Transdisziplinarität Multidisziplinarität Mehrere Disziplinen ohne Wechselwirkungen parallel zueinander - normaler Stundenplan mit unterschiedlichen Fächern Interdisziplinarität Interaktionen zwischen den beteiligten Disziplinen Transdisziplinarität Wechselbeziehungen zwischen den beteiligten Disziplinen führen zu inhaltlichen Veränderungen, Verschiebung von Disziplingrenzen oder neuen Disziplinen Erfordert gemeinsame Fragestellung, Theorien, Methoden und Kriterien der Wissenschaftlichkeit, gemeinsame Sprache Elke Sumfleth4

5 Naturwissenschaftsunterricht transdisziplinär und integriert Fachüberschreitend Einbringen von Erkenntnissen aus einem anderen Fach Fächerverknüpfend Konzepte aus unterschiedlichen Fächern werden durch curriculare Absprachen systematisch verbunden Themenzentriert Betrachtung eines übergeordneten Themas aus den unterschiedlichen Perspektiven der einzelnen Fächer Integriert Integrierte Entwicklung naturwissenschaftlicher Begriffe Zeigt Parallelitäten zu Transdisziplinarität Geeignet für naturwissenschaftliche Grundbildung? Elke Sumfleth5

6 Naturwissenschaftliche Grundbildung Unterscheidung von Konzepten und Prozessen Naturwissenschaftliche Grundbildung (nach PISA) Naturwissenschaftliches Wissen anwenden Naturwissenschaftliche Fragen erkennen Schlussfolgerungen ziehen Umgehen mit Evidenzen Kommunizieren von naturwissenschaftlichen Inhalten Enge Verzahnung der drei naturwissenschaftlichen Fächer durch gemeinsame Ziele und Arbeitsweisen Fortsetzung des Sachunterrichts der Primarstufe Nationale Bildungsstandards Prozessbezogene Kompetenzen 6Elke Sumfleth

7 Nationale Bildungsstandards Gemeinsame Kompetenzbereiche für die drei naturwissenschaftlichen Fächer Fachwissen Erkenntnisgewinnung Kommunikation Bewertung Sind die Kompetenzbereiche fachspezifisch oder naturwissenschaftsübergreifend? Elke Sumfleth7

8 Fachabhängigkeit der Bewertungskompetenz Stichprobe: 777 SchülerInnen Deviance: 16015.62 Separation Reliability:.994 EAP/PV Reliability: Dim 1(außerfachlich):.47 Dim 2 (Chemie):.68 Dim 3 (Biologie):.65 Personenparameter Dim 1: -2.76 – 4.47, MW: 2.04 Dim 2: -5.59 – 4.27, MW:.21 Dim 3: -4.81 – 5.44, MW:.51.77 MNSQ 1.20 -3.5 T-Value 2.3 8 jedes,X steht für 4.9 Fälle Chemie Biologie außerfachlich Elke Sumfleth (Hostenbach & Walpuski, 2013)

9 Latente Korrelationen Bei insgesamt niedrigen bivariaten Korrelationen (<.3) sind diejenigen zur außerfachlichen Anwendung von Bewertungsstrategien, zum Umgang mit Fachwissen und zu den kognitiven Fähigkeiten am größten. Bewertungskompetenz ist abhängig von der Situation – fachspezifisch Schüler(innen) können besser außerfachlich Bewertungsstrategien nutzen als in Chemie/Biologie Was bedeutet das für ein Unterrichtsfach Naturwissen- schaft? AußerfachlichChemieBiologie Außerfachlich1.547.672 Chemie.5471.889 Biologie.672.8891 9 Elke Sumfleth9 (Hostenbach & Walpuski, 2013)

10 Das Fach,Naturwissenschaft (NRW)

11 Erprobungsphase des Fachs Naturwissenschaft in NRW (Schuljahre 2003/2004 und 2004 /2005; > 70 Gymnasien; Jahrgangsstufen 5 und 6) Integration chemischer, biologischer & physikalischer Inhalte Grundlegende Ziele Anschlussfähige naturwissenschaftliche Grundbildung Ganzheitliche Wahrnehmung naturwissenschaftlicher Phänomene Interessenförderung Prozess- und konzeptbezogene Kompetenzen eingebunden in verpflichtende Rahmenthemen 11Elke Sumfleth

12 Projekt Vergleich der beiden unterschiedlichen Unterrichtstypen Naturwissenschaft versus Einzelfächer (Biologie und Physik) : Fachwissen Chemie Naturwissenschaftliche Arbeitsweisen Interesse und Selbstkonzept (Biologie, Physik und Chemie) Unterrichtsmethoden des differenzierten und integrierten Naturwissenschaftsunterrichts Design 12 Ca. 600 Schülerinnen und Schüler aus 21 Klassen (21 Lehrkräfte) (ca. 300 Probandinnen und Probanden pro Gruppe) Elke Sumfleth

13 Ergebnisse mit Blick auf den Unterricht Forschungsfragen Werden in einem integrierten Naturwissenschaftsunterricht andere Unterrichtsformen und –methoden fokussiert? Beeinflusst das Studienfach der Lehrkraft im integrierten Naturwissenschaftsunterricht das fachliche, hier chemiebezogene Wissen der Schülerinnen und Schüler? Elke Sumfleth13

14 Angaben zum Unterricht 14 (Walpuski, geb. Klos & Sumfleth, 2012)

15 Experimentelles Arbeiten Elke Sumfleth15 (Klos, 2008)

16 Fachwissen Chemie integrierte Unterrichtsform – Lehrkraft Elke Sumfleth16 (Klos, 2008) *

17 Ergebnisse des Lehrerfragebogens Die meisten beteiligten Lehrkräfte waren Biologielehrkräfte, keine Physiklehrkraft Liste der Schwierigkeiten kein geeigneter Unterrichtsraum kein geeignetes Schulbuch erhöhter Materialaufwand erhöhter Zeitaufwand: Einarbeitung in fachfremde Themengebiete erfordert Absprachen mit Kolleginnen und Kollegen und Fortbildungen Die Umsetzung war sicherlich suboptimal Elke Sumfleth17

18 Effektbezogene Hypothesen und Forschungsfragen Hypothesen: Schülerinnen und Schüler, die zwei Jahre in dem Fach Naturwissenschaft unterrichtet worden sind… beherrschen grundlegende naturwissenschaftliche Arbeitsweisen besser besitzen mehr allgemein prozessbezogene Kompetenzen erlernen mehr chemisches Fachwissen Weitere Forschungsfragen Mindert oder stärkt das Fach Naturwissenschaft das Interesse an den Fächern Biologie, Physik und Chemie? das Selbstkonzept in den Fächern Biologie, Physik und Chemie? Profitieren Mädchen oder Jungen unterschiedlich stark von einem integrierten Naturwissenschaftsunterricht? Elke Sumfleth18

19 19 Ergebnisse Schülerinnen und Schüler, die zwei Jahre in dem Fach Naturwissenschaft integriert unterrichtet worden sind… beherrschen grundlegende naturwissenschaftliche Arbeitsweisen nicht besser (NAW-Test) besitzen nicht mehr allgemein prozessbezogene Kompetenzen verfügen nicht über mehr chemisches Fachwissen haben kein höheres naturwissenschaftliches Selbstkonzept zeigen aber ein höheres Fachinteresse zu Beginn der 7. Klasse als die Kontrollgruppe. (Klos, 2008) Mögliche Ursachen für die Interessenseffekte? Elke Sumfleth

20 Exkurs: Kontexteffekte Elke Sumfleth20

21 Kontexteffekt: Situationales Interesse 21 Haupteffekt des Kontextes auf das situationale Interesse: F(2,153) = 5.95; p =.003, partielles ² =.072 Effekte Inhalt (a) > Effekte Inhalt (b) Probanden stufen Inhalt (b) auch im nicht lebensweltlichen Kontext als interessant ein InhaltF-Wertp-WertEffektstärke a (Struktur und Löslichkeit von Salzen)11.47.001 partielles ² =.069 b (Struktur und Eigenschaft von Wasser) 5.37.034 partielles ² =.032 Wasser ist gleichzeitig Kontext und Inhalt Elke Sumfleth (Kölbach & Sumfleth, 2013)

22 Kontexteffekt: Situationales Interesse Chemie versus Biologie 22 Haupteffekt des Kontextes auf das situationale Interesse: F(3,134) = 3.61; p =.015, partial ² =.075 Effekte Inhalt (a) > Effekte Inhalt (b) > Effekte Inhalt (c) Probanden stufen Inhalt (b) und (c) auch im nicht lebenswelt- lichen Kontext als interessant ein InhaltF-Wertp-WertEffektstärke a (Struktur und Löslichkeit von Salzen)9.12.003 partielles ² =.063 b (Struktur und Eigenschaft von Wasser)4.05.046 partielles ² =.029 c (Hormone)3.55.062 partielles ² =.025 Elke Sumfleth (Kölbach & Sumfleth, 2013)

23 Kontextorientierung und Relevanz 23 Haupteffekt des Kontextes auf die empfundene Relevanz des Themas: F(3,129) = 7.90; p <.001, partielles ² =.155 Effekte nur durch Inhalt (a) hervorgerufen: F(1,131) = 21.76; p <.001, partielles ² =.141 Inhalte (b) und (c) werden auch im nicht lebensweltlichen Kontext als relevant eingestuft Kein Haupteffekt: F(1,131) < 1 Elke Sumfleth

24 Schlussfolgerungen Effekte des Kontextes hängen auch vom Inhalt ab. Lässt sich diese Idee auf das Fach Naturwissenschaft übertragen? Elke Sumfleth24 Inhalt Kontext Inhalt Kontext Inhalt Kontext Salze Wasser Vermutung: je weiter entfernt Kontext und Inhalt sind, desto größer ist der Interessenseffekt desto größer ist der Effekt auf die Relevanz

25 Zurück zum Unterrichtsfach Naturwissenschaft Gendereffekte Elke Sumfleth25

26 Gendereffekte Elke Sumfleth26 Sachinteresse Fachinteresse Selbstkonzept (Klos, 2008)

27 Interessenentwicklung in Klasse 7 Elke Sumfleth27 (Klos, 2008)

28 Gendereffekte – Unterrichtsfach Naturwissenschaft Elke Sumfleth28 Interaktionseffekt (signifikant) p =.014 F(1; 567) = 6.054, Eta² =.011 Ende der Klasse 7 ist der Interaktions- effekt nicht mehr nachweisbar, aber Mädchen besser als Jungen Parallele Entwicklung im Laufe der Klasse 7 (Klos, 2008; Klos, Henke, Kieren, Walpuski & Sumfleth, 2008)

29 Ein weiteres Beispiel: Das HIGHSEA -Projekt in Bremerhaven

30 Das HIGHSEA- Projekt HIGHSEA-Projekt am AWI in Bremerhaven 22 Schülerinnen und Schüler des 11. Jahrgangs werden in 2½ Jahren in den Fächern Biologie (LK), Chemie, Mathematik und Englisch in einem themenzentrierten, fächerübergreifenden Projektunterricht zum Abitur geführt. Ziele des Projekts Nachhaltige Förderung der naturwissenschaftlichen Fähigkeiten Unterstützung des Interesses Nachwuchsförderung Hypothese Höhere experimentell-naturwissenschaftliche Fähigkeiten der Projekt- gruppe als bei vergleichbaren Schülerinnen und Schülern in Bremerhaven Elke Sumfleth30

31 Design der Evaluation Elke Sumfleth31 Parallelisierung über KFT TIMSS Motivation & Interesse HIGHSEA Schüler/innen N=21 Vergleichs- schüler/innen N= 21 von ca.180 Vergleich der Gruppen (pre-post) hinsichtlich naturwissenschaftlicher/experimenteller Kompetenz Motivation und Interesse an den Naturwissenschaften Fachwissen

32 Veränderung der NAW-Testergebnisse über ein Schuljahr Haupteffekte Gruppenzugehörigkeit p <.05 F (1;36) = 5,774 Eta² =.138 Messzeitpunkt p <.001 F (1;36) = 52,166 Eta² =.592 Interaktionseffekt: Gruppe * Messzeitpunkt p =.001 F (1;36) = 13,932 Eta² =.279 Elke Sumfleth32

33 Sind die Schüler zu jung?

34 Wissen über naturwissenschaftlich- experimentelles Arbeiten – Jahrgangsstufe 5 Raschanalyse (ConQuest) Gesamtsample (N=1134) EAP / PV Reliabilität =.766 Varianz: 1.347 119 von 140 Items: 0.75 < weighted MNSQ < 1.2 -2 < T-Wert < +2 discrimination über.20 Modellpassung gegeben Test ist tendenziell zu schwierig für das Gesamtsample Elke Sumfleth 34 (Mannel, Walpuski & Sumfleth, eingereicht)

35 Ergebnisse für das Gymnasium und Hauptschule GymnasiumHauptschule Nachkonstruktion leichterer Items Einsatz der Aufgaben in der siebten Jahrgangsstufe Elke Sumfleth 35 (Mannel, Walpuski & Sumfleth, eingereicht)

36 Ergebnisse einer Folgestudie in Jahrgangsstufe 7 Gesamtsample Gymnasium Hauptschule Elke Sumfleth 36 (Mannel, 2011)

37 Unterrichtsmaterial für den integrierten Anfangsunterricht

38 Prinzipien der Materialentwicklung Elke Sumfleth38 Berücksichtigung der vier Kompetenzbereiche der nationalen Bildungsstandards Berücksichtigung der Vorgaben der Bundesländer Schülerarbeitsmaterial und Lehrerbegleitbögen Farbliche und symbolische Markierung der Materialien mit Blick auf die zu fördernden Kompetenzen (Hübinger, Emden, & Sumfleth, 2009)

39 Unterschiedliche Kompetenzbereiche Kompetenzbereich Fachwissen Inhaltsbereiche zum Thema Wasser Breite Abstimmung auf curriculare Vorgaben Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung Unterschiedlich eng geführte Schülerexperimente Strukturierungstraining Kompetenzbereich Kommunikation Fokussierung auf Lesen und Konstruieren schematischer Darstellungen Kompetenzbereich Bewertung Erste Schritte zur Bewertung: Individuelle Betroffenheit Unterschiedliche Perspektiven Elke Sumfleth39 (Emden & Sumfleth, 2009)

40 Zusammenfassung Fächer versus Naturwissenschaften Formale Rahmenbedingungen Änderung von Organisationsstrukturen und Inhalten Lehrerausbildung - Überwiegend fachfremd erteilter Unterricht Chemieunterricht Physikunterricht Biologieunterricht Konsequenzen für Unterricht Komplexität der Problemsituation – cognitive load - Interesse Akzentuierung der Unterschiede versus Erkennen von Gemeinsamkeiten Exemplarisch versus systematisch Horizontale versus vertikale Vernetzung Aber:Unterrichtsqualität vermutlich wichtiger als die Auswahl inhaltlicher Beispiele 40Elke Sumfleth

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vielen Dank für die erfolgreiche Zusammenarbeit Markus EmdenEva Kölbach Christian HenkeSusanne Mannel Julia HostenbachMaik Walpuski Regina HübingerSilke Walpuski, geb. Klo s Vielen Dank für die finanzielle Unterstützung nwu-essenEntwicklung der FG + GKMaterialien Kontakt: elke.sumfleth@uni-due.de www.nwu-essen.de http://www.uni-due.de/ chemiedidaktik/ 09_forschung_agsumfleth.shtml elke.sumfleth@uni-due.de


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