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Wissenschaftliches Denken im Kindes- und Jugendalter: Entwicklungsbedingungen und Fördermöglichkeiten Elsbeth Stern Max-Planck-Institut für Bildungsforschung.

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Präsentation zum Thema: "Wissenschaftliches Denken im Kindes- und Jugendalter: Entwicklungsbedingungen und Fördermöglichkeiten Elsbeth Stern Max-Planck-Institut für Bildungsforschung."—  Präsentation transkript:

1 Wissenschaftliches Denken im Kindes- und Jugendalter: Entwicklungsbedingungen und Fördermöglichkeiten Elsbeth Stern Max-Planck-Institut für Bildungsforschung

2 Der schlimmste Satz in der Bildungsgeschichte: Lernen lernen statt Wissen aneignen Formale Bildung: Geistiges Training durch Latein, wahlweise Gehirnjogging?

3 Problem aller westlichen Industrieländer: Trotz aufwändiger Lerngelegenheiten gibt es massive Defizite im naturwissenschaftlichen Verständnis

4 Ursachen Ungünstige schulische Lernbedingungen in der Mittelstufe Suboptimale Vorbereitung in der Grundschule

5 Defizite zeigen sich insbesondere in der angemessenen Verwendung physikalischer Konzepte bei der Erklärung physikalischer Vorgänge

6 Der große Bruder Peter und die kleine Schwester Susanne messen ihre Kräfte, indem sie gegeneinander drücken. Keiner von beiden fällt um. Welcher Satz stimmt? Peter übt eine größere Kraft auf Susanne aus als Susanne auf Peter. Susanne übt eine größere Kraft auf Peter aus als Peter auf Susanne. Peter und Susanne üben gleich große Kräfte aufeinander aus.

7 Ursachen für defizitäres physikalisches Wissen im Kindesalter Generelle Entwicklungsdefizite (Piaget: Zentrierung, Neo-Piagetianer: geringe Arbeitsspeicherkapazität) Spezifische Wissensdefizite (charakteristische statt definitorische Merkmale beim Begriffswissen, animistische Erklärungsmodelle)

8 Konsequenzen eines wissensbasierten Entwicklungsmodells: frühzeitig am Wissen arbeiten

9 Konsequenzen eines wissensbasierten Entwicklungsmodells: berücksichtigen, dass Begriffslernen ein konstruktiver Prozess ist

10 Grundlagen konstruktivistischer Lerntheorien Eingehende Information wird an bestehendes Wissen angeknüpft. Vorwissen ist entscheidend. Zu Fehlvorstellungen kommt es, weil Menschen die Tendenz haben, aus allem Sinn zu machen. Verstehen (Begriffserwerb) kann durch die Lernumgebung angeregt werden, indem das zugrunde liegende bereits verfügbare Wissen aktiviert wird (Beispiel Wal). Direkte Instruktion kann Verstehensprozesse auslösen, wenn das zugrunde liegende Wissen bereits verfügbar ist und zuvor aktiviert wurde.

11 Konsequenzen eines wissensbasierten Entwicklungsmodells Akademisches Wissen ist untrennbar mit der anspruchsvollen Nutzung von Repräsentationsformen verbunden

12 Kombination aus Piaget und Vygotski: Inhalte werden über einen aktiven Konstruktionsprozess mit Hilfe von Symbolsystemen (Repräsentationsformen) erworben.

13 Expertenwissen in Physik zeichnet sich aus durch 1.Angemessene verbale Problembeschreibung 2.mathematisch-formale Konzeptualisierbarkeit (Kraft=Masse x Beschleunigung) 3. semi-abstrakte Problemskizzen unter Ausnutzung des Raumes zur Abbildung nicht-räumlicher Zusammenhänge (graphisch-visuelle Veranschaulichungen)

14 (a) Dasjenige, das den Fluss ohne Strömung überquert. (b) Dasjenige, das den Fluss mit Strömung überquert (c) Beide Boote erreichen das andere Ufer zur selben Zeit Stell Dir vor wir haben zwei identische Flüsse mit zwei identischen Booten, die ver- suchen, den Fluss zu überqueren. Der einzige Unterschied ist, dass in einem Fluss eine Strömung herrscht und im anderen nicht. Beide Boote haben den selben Motor und legen zur selben Zeit ab. Welches Boot kommt zuerst am anderen Ufer an? Strömung Keine Strömung

15 Barbara White: Semi-abstrakte Thinker Tools

16 Graphisch-visuelle Kompetenz bedeutet Kenntnis der Möglichkeiten (Affordances) und Einschränkungen (Constraints) im Umgang mit Symbolsystemen.

17 Enhancing kNowledge Transfer and Efficient Reasoning by Practicing Representation InIn Science Education Anja Felbrich, Ilonca Hardy, Susanne Koerber, Catrin Rode, Elsbeth Stern Externe Kooperationspartner aus BIQUA: Eva Blumberg, Angela Jonen, Kornelia Möller

18 5. Schwimmt ein großer Baumstamm im Wasser? Fünf starke Männer können ihn nicht hochheben. Der Baumstamm schwimmt Der Baumstamm geht unter Warum?

19 Kinder denken Es liegt nur am Gewicht Luft zieht Gegenstände nach oben Wasser saugt Gegenstände nach unten

20 Kinder sollen lernen Luft spielt keine Rolle Volumen und Masse sind entscheidend Wasser saugt nicht, sondern drückt gegen Gegenstände, die wiederum gegen das Wasser drücken

21 16. Ein Schiff aus Eisen Ein Schiff aus Eisen geht im Meer nicht unter. Warum? Der Motor hält das Schiff oben. Das Schiff wird vom Wasser nach oben gedrückt. Die Luft zieht das Schiff nach oben. Das Schiff ist innen hohl. Im Meer ist so viel Wasser. Wenn das Schiff bis zum Rand eingetaucht wird, wiegt das weggedrängte Wasser weniger als das Schiff. Wenn das Schiff bis zum Rand eingetaucht wird, wiegt das weggedrängte Wasser mehr als das Schiff.

22 Kugeln im Wasserglas Hier sind vier gleich große Kugeln. Sie sind unterschiedlich schwer. Wie hoch steigt das Wasser im Glas bei jeder Kugel? Zeichne jeweils den Wasserstand ein. So hoch steigt das Wasser, wenn man die rote Kugel in das Glas legt. 40g 90g 80g 20g

23 Kugeln im Wasserglas Hier sind vier gleich große Kugeln. Sie sind unterschiedlich schwer. Wie hoch steigt das Wasser im Glas bei jeder Kugel? Zeichne jeweils den Wasserstand ein. So hoch steigt das Wasser, wenn man die rote Kugel in das Glas legt. 40g 90g 80g 20g

24 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.

25 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.

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27 Styropor Kork Holz Wasser Ton Stein Eisen

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29 Trainingsexperiment Effekte unterschiedlicher Repräsentationsformen für das konzeptuelle Verständnis von Dichte bei Grundschulkindern

30 geringes konzeptuelles, evtl. proportionales Verständnis konzeptuelles Verständnis konzeptuelles und proportionales Verständnis quantitative Vergleiche qualitative Vergleiche quantitative und qualitative Vergleiche Numerisch Gewicht: 4 Gewicht: 8 Größe: 1 Größe: 2 Kontrollgruppe (N=16) Matrixgruppe (N=16) Balkenwaagen- gruppe (N=17) Desígn und Hypothesen

31 10. Würfel im Wasser Du siehst drei Würfel im Wasserbecken. Sie sind aus unterschiedlichen Materialien. Welcher Würfel ist aus den schwersten Material? Kreuze an: Der rote Würfel der blaue Würfel der grüne Würfel Welcher Würfel ist aus dem leichtesten Material? Kreuze an: Der rote Würfel der blaue Würfel der grüne Würfel

32 9. Bootsaufgabe Diese zwei Boote sind gleich schwer. Nur eines der beiden Boote kann einen schweren Schatz tragen. Achtung: Beide Boote sind gleich stabil. Welches Boot kann den schweren Schatz tragen? das große Boot das kleine Boot Warum? Kreuze alle richtigen Erklärungen an. Weil in diesem Boot mehr Luft ist. Die zieht das Boot mit dem Schatz besser nach oben. Weil das Wasser bei diesem Boot so stark drücken kann. Weil das Wasser dieses Boot nicht so leicht nach unten saugen kann. Dieses Boot kann mehr Wasser wegdrängen. Deshalb kann das Wasser stärker drücken. In dieses Boot passt der Schatz besser rein.

33 Unterschiede im konzeptuellen Verständnis

34 Unterschiede im konzeptuellen Verständnis II

35 Unterschiede im konzeptuellen Verständnis III

36 Nach 6 Monaten... weisen die Repräsentationsgruppen deutlich mehr Fehlvorstellungen zurück als die Kontrollgruppe..... zeigt die Balkenwaagengruppe das beste proportionale Verständnis.

37 Dissertation Susanne Koerber Klasse 4

38 Welche Mischungen von den großen Behältern gehören zu der Mischung im kleinen Behälter? kleiner große Behälter

39 Welche Mischungen von den großen Behältern gehören zu der Mischung im kleinen Behälter? kleiner große Behälter

40 Welche Mischungen von den großen Behältern gehören zu der Mischung im kleinen Behälter? kleiner große Behälter

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42 ORANGENSAFT ZITRONENSAFTZITRONENSAFT

43 Testzeitpunkt bezogen auf das Training VorMitteNach2 Jahre später Anzahl gelöster Aufgaben Graph Balkenwaage Baseline

44 Kleines Wort mit großer Wirkung PRO

45 Zeit in Stunden WEGINKMWEGINKM

46 TIMS/III Aufgabe: Die Beschleunigung eines sich geradlinig bewegenden Objektes kann bestimmt werden aus Der Steigung des Weg-Zeit-Graphen Der Fläche unter dem Weg-Zeit-Graphen Der Steigung des Geschwindigkeits-Zeit- Graphen Der Fläche unter dem Geschwindigkeits-Zeit- Graphen Lösungsrate bei Abiturienten mit Leistungskurs Mathematik: 50% mit Grundkurs Mathematik: immerhin 44%

47 Guter naturwissenschaftlicher Unterricht... Beginnt mit einer Frage, die die Schüler interessiert Ermutigt Schüler, Wissen zu aktivieren, welches zur Beantwortung der Frage herangezogen werden könnte Nicht zielführendem Wissen wird besondere Aufmerksamkeit geschenkt (Fehlerkultur) Bietet Schülern Erfahrungen und Denkwerkzeuge an, –die ihnen die Grenzen ihres nicht zielführenden Wissens aufzeigen –die den Aufbau von zielführendem Wissen unterstützen

48 Bei der Planung von Curricula zu beachten: Fragen müssen für Kinder intellektuell (nicht unbedingt lebensweltlich) interessant sein Die angestrebten Erklärungen müssen auf dem Sprachniveau der jeweiligen Altersgruppe kommunizierbar sein Wo kann man guten Gewissens aus wissenschaftlicher Sicht nicht zulässige Vereinfachungen vornehmen?


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