Bildungsstandards Naturwissenschaften Hintergründe, Konsequenzen und praktische Umsetzung Didacta Köln 2007 Dr. Georg Trendel georg.trendel@uni-due.de

Was hat sich geändert? Gesellschaftliche Bedingungen Politische und ökonomische Faktoren Kulturelle Einbettung und kulturelle Identität Sicht auf die Naturwissenschaften Inhalte und Fakten Denk- und Arbeitsweisen Wissen über Lernen Vernetztes Wissen und kumulatives Lernen Ziele des Unterrichts Naturw. Grundbildung (Scientific Literacy) Erwerb von Kompetenzen georg.trendel@uni-due.de

Inhalte Gesellschaftliche Bedingungen Politische und ökonomische Faktoren Kulturelle Einbettung und kulturelle Identität Sicht auf die Naturwissenschaften Inhalte und Fakten Denk- und Arbeitsweisen Wissen über Lernen Vernetztes Wissen und kumulatives Lernen Ziele des Unterrichts Naturw. Grundbildung (Scientific Literacy) Erwerb von Kompetenzen georg.trendel@uni-due.de

Scientific Literacy = Naturwissenschaftliche Grundbildung wird seit ca. 50 Jahren diskutiert Debatte wurde in Deutschland verschlafen führte zur Formulierung von Standards in vielen Ländern (vergl. z.B. Science for All Americans, Benchmarks Project, NSES (USA) 2061, Kanadische und skandinavische Curricula) ist normativ und nicht ganz unumstritten ist ohne sichtbare Alternative Aufwertung der Naturwissenschaften Naturwissenschaft als Beitrag zur Bildung georg.trendel@uni-due.de

Naturwissenschaftliche Grundbildung (Scientific Literacy) ... ist die Fähigkeit, naturwissenschaftliches Wissen anzuwenden, naturwissenschaftliche Fragen zu erkennen und aus Belegen Schlussfolgerungen zu ziehen, um Entscheidungen zu verstehen und zu treffen, welche die natürliche Welt und die durch menschliches Handeln an ihr vorgenommenen Veränderungen betreffen. (OECD, 1999) georg.trendel@uni-due.de

Zum Kompetenzbegriff (Weinert 2001) „Kompetenzen sind die bei Individuen verfügbaren oder 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.“ Der Kompetenzbegriff impliziert ungleich höhere Anforderungen als der bisher übliche Begriff der Obligatorik georg.trendel@uni-due.de

Vernetztes Wissen und kumulatives Lernen Wissen ist keine lineare Struktur, sondern integriert sich in ein Netz von Begriffen mit ihren kontextabhängigen Bedeutungen und assoziierten Erfahrungen, Emotionen Konzepte sind durch Beziehungen bestimmt Wissen ist umso belastbarer, je besser es integriert und vernetzt ist Inselwissen mit schwacher Integration ist schwer nutzbar („Träges Wissen“) georg.trendel@uni-due.de

Begriffsnetz Elektrizität georg.trendel@uni-due.de

Die Funktion von Basiskonzepten Basiskonzepte sind geeignet als Anker für die Vernetzung von Wissen aus ganz unterschiedlichen Wissensbereichen. Sie haben dabei zwei Funktionen: Sie sind selbst Konzepte mit einer besonders großen Komplexität, Reichweite und Erklärungsmächtigkeit und haben deshalb eine strukturierende Funktion. Sie beschreiben Perspektiven oder Leitideen, unter denen man Objekte und Sachverhalte betrachten kann und haben deshalb eine orientierende Funktion. georg.trendel@uni-due.de

Beispiel orientierende Funktion Betrachtung eines elektrischen Stromkreises unter den Perspektiven Materie, Wechselwirkung, Energie, System Je nach Basiskonzept ergeben sich völlig andere Fragestellungen WW E M SY georg.trendel@uni-due.de

Denk-, Arbeits- und Argumentationsweisen Bezug zu einem Problem aus der realen Welt Konstruieren eines Modells Entscheiden, ob das Modell passt Sich der Kritik stellen, andere überzeugen Ergebnisse als Beitrag zum Wissen verbreiten Naturwissenschaftler generieren und prüfen Modelle der Realität georg.trendel@uni-due.de

Modelle und Hypothesen Klima- wandel Modell (un)passend Treibhaus- Effekt Hypothese (falsch) Argument/ Berechnung Experimentelle Anordnung Beobachtung/ Experiment Positve (negative) Evidenz Anomaler Temperatur- anstieg (Keine) Überein- stimmung Vorhersage Erwärmung georg.trendel@uni-due.de

Kommunikation und Bewertung (Standards) Fachsprache nutzen Eindeutigkeit, Abgrenzung, Klarheit, Ökonomie, intersubjektives Verständnis Darstellung Klarheit, Überprüfbarkeit, Reproduzierbarkeit Kritisches Prüfen Widerspruchsfreiheit, Objektivität, Einfachkeit, Mächtigkeit, Interessen Arbeitweisen, ihr Sinn und ihre Zielsetzungen, sollten explizit und nicht nur implizit unterrichtet werden georg.trendel@uni-due.de

Erkenntnisgewinn (Standards) Handlungen und Ziele in Argumentationsstrukturen Wahrnehmen Kenntnisnahme und Darstellung von Fakten Ordnen Reduzieren von Komplexität Erklären Zusammenhang von Ursachen und Wirkungen herstellen Modelle bilden Erklärungen verallgemeinern, Wichtiges hervorheben, Vorhersagen machen Prüfen Gültigkeit von Modellen, Eindeutigkeit, Widerspruchsfreiheit, Objektivität, Intersubjektivität georg.trendel@uni-due.de

Beispiel: Prüfen von Hypothesen Variablenkontrolle (TIMSS-Aufgabe) Die Zeichnungen zeigen mehrere Versuche, die Andrea mit Wagen mit unterschiedlich großen Rädern durchgeführt hat. Sie hat sie von unterschiedlichen Höhen hinabrollen lassen. Die Blöcke, die sie hineingelegt hat, haben alle die gleiche Masse. Sie möchte folgende Vermutung überprüfen: Je schwerer ein Wagen ist, desto größer ist seine Geschwindigkeit am Fuße der Rampe. Welche drei Versuche sollte sie vergleichen? A. G, T und X B. O, T und Z C. R, U und Z D. S, T und U E. S, W und X georg.trendel@uni-due.de

Beispielsequenz (J. Birkner & C Beispielsequenz (J. Birkner & C. Hermey) Einüben des Entwickelns naturwissenschaftlicher Fragestellungen Aufgaben für die Einstiegsphase Du wünschst dir zum Geburtstag einen Haartrockner und darfst dir selbst einen aussuchen. Bevor du in ein großes Elektrogeschäft gehst überlegst du dir genau, welche Erwartungen du an den Haartrockner stellst. Sammle möglichst viele Fragen, die du einem Verkäufer stellen willst. Schreibe jeweils eine Frage auf eine Karteikarte. Kommentar Einführung in die Thematik Eingrenzung des Inhaltsbereichs Motivation Zuordnung zur Lebenswelt Erfassen von Vorwissen und Vorerfahrungen Ausgangspunkt zur Entwicklung von Fragen, die mit naturwissenschaftlichen Mitteln beantwortbar sind Du wünschst dir zum Geburtstag einen Haartrockner und darfst dir selbst einen aussuchen. Bevor du in ein großes Elektrogeschäft gehst überlegst du dir genau, welche Erwartungen du an den Haartrockner stellst. Sammle möglichst viele Fragen, die du einem Verkäufer stellen willst. Schreibe jeweils eine Frage auf eine Karteikarte. georg.trendel@uni-due.de

„Wir untersuchen Haartrockner“ Beispielsequenz (J. Birkner & C. Hermey) Einüben Ordnen und Systematisieren „Wir untersuchen Haartrockner“ Die Fragen können nach folgenden Kriterien geordnet werden: Trocknungsleistung Lautstärke Handhabbarkeit Sicherheit Aussehen, Design Maße und Gewicht Technische Daten Preis und Zubehör Verständlichkeit der Gebrauchsanweisungen georg.trendel@uni-due.de

Beispielsequenz (J. Birkner & C Beispielsequenz (J. Birkner & C. Hermey) Einüben naturwissenschaftliche Fragestellungen Aufgaben für die Planungsphase Überlege dir, welche der Fragen nur du selbst beantworten kannst, welche du durch Untersuchungen beantworten kannst oder welche der Verkäufer beantworten kann. Notiere, zu welchen Fragestellungen du Untersuchungen durchführen möchtest! Handlungen: Ordnen der Fragen nach o.g. Kriterien Identifizieren und Dokumentieren der Fragestellungen, die mit naturwissenschaftlichen Methoden zu bearbeiten sind georg.trendel@uni-due.de

„Wir untersuchen Haartrockner“ Beispielsequenz (J. Birkner & C. Hermey) Einüben Modellbildung „Wir untersuchen Haartrockner“ Liste der geplanten Messungen und Untersuchungen Messung der Lautstärke Trockenzeit Temperatur des Luftstroms Geschwindigkeit des Luftstroms Luftfördermenge Untersuchung möglicher Haarschädigung durch zu heiße Luft der Handhabbarkeit der Sicherheit georg.trendel@uni-due.de

Beispielsequenz (J. Birkner & C. Hermey) Einüben Experimentieren Aufgaben für die spezielle Planungsphase Überlege dir, wie du vorgehen willst. Plane die Untersuchungen. Möchtest du alle Untersuchungen machen oder nur einige? Begründe deine Entscheidung. Handlungen: Entwicklung eigener Ideen zu Untersuchungsabläufen bezogen auf die Fragestellung Setzung von Schwerpunkten Einschätzung der Umsetzbarkeit Eingrenzung des Inhaltsbereichs Erstellen eines Arbeitsplanes georg.trendel@uni-due.de

Beispielsequenz (J. Birkner & C. Hermey) Einüben Variablenkontrolle Trockenzeit Wie lange braucht der Haartrockner, bis er 5ml Wasser zum Verdunsten gebracht hat? georg.trendel@uni-due.de

Beispielsequenz (J. Birkner & C. Hermey) Einüben Variablenkontrolle Aufgaben für die spezielle Untersuchungsphase (Enge Aufgabenformulierung für unerfahrene Schüler/innen.) Plane einen Versuch, um die Trocknungszeit der verschiedenen Haartrockner vergleichen zu können. Achte auf gleiche Wassermengen gleiche Abstände zwischen Haartrockner und feuchtem Tuch gleiche Ausrichtung des Luftstromes auf das Tuch exakte Zeitnahme! 2. Trage die Werte in ein Datenblatt ein. 3. Nenne Gründe dafür, dass Abstand und Richtung zwischen Haartrockner und feuchtem Tuch bei allen Messungen genau gleich groß sein müssen. georg.trendel@uni-due.de

Zusammenfassung Herausforderungen: Höherer Stellenwert durch geänderte Bildungsziele Kompetenzentwicklung mit Inhalts- und Handlungsdimensionen Vernetztes Wissen in innerfachlichen und überfachlichen Zusammenhängen Lernen in sinnvollen Kontexten Betonung von Denk- und Arbeitweisen Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit georg.trendel@uni-due.de

Charakter der KMK-Standards Mischung aus Content-Standards und Output-Standards Von den Niveauanforderungen her Regelstandards, weil Mindestanforderungen erst in einem längeren Erfahrungsprozess formuliert und präzisiert werden können, weil Instrumente zur Kompetenzmessung entwickelt werden müssen, weil ohne diese Arbeiten die Gefahr einer massiven Unterforderung oder Überforderung bestehen könnte. Die Standards sind noch nicht endgültig Einstieg in einen angestrebten Paradigmenwechsel hin zu Outcome-Orientierung, Rechenschaftslegung und System-Monitoring. georg.trendel@uni-due.de

PISA-2000 Naturwissen- schaften (PISA = Program for International Student Assessment) georg.trendel@uni-due.de

Kompetenzstufen nach PISA Stufe V: Konzeptuelles und prozedurales Verständnis auf hohem Niveau Analysieren, erklären und kommunizieren mit differenzierten konzeptuellen Modellen Stufe IV: Konzeptuelles und prozedurales Verständnis konzeptuelle und prozedurale naturwissenschaftliche Grundbildung: Prinzipien, Zusammenhänge, Denk- und Arbeitsweisen verstehen Stufe III: Funktionales naturwissenschaftliches Wissen naturwissenschaftliche Konzepte nutzen naturwissenschaftliche Untersuchungen nach Details analysieren erkennen, welche Fragen naturwissenschaftlich beantwortet werden können zwischen relevanten und irrelevanten Daten unterscheiden. Stufe II: Funktionales naturwissenschaftliches Alltagswissen Vorhersagen, Erklärungen und Überlegungen mit naturwissenschaftlichem Alltagswissen Richtiger Gebrauch von naturwissenschaftlichem Vokabular in einem engen Rahmen Stufe I: Nominelles naturwissenschaftliches Wissen einfaches Faktenwissen, Ausdrücke und einfache Regeln (unverstanden) wiedergeben mit Alltagswissen Schlussfolgerungen ziehen und beurteilen, Fehlvorstellungen sichtbar georg.trendel@uni-due.de

Naturwissenschaftliche Leistungen nach PISA V IV III II I georg.trendel@uni-due.de

PISA – Ergebnisse 2000 Leistungen in Naturwissenschaften deutlich unterhalb des Schnitts der OECD - Staaten Großer Abstand des unteren Leistungsbereichs vom Schnitt 26,3% erreichen nicht einmal die Stufe eines funktionalen Alltagswissens Keine ausgeprägten Spitzengruppen im oberen Leistungsbereich Probleme beim Verständnis und bei der Anwendung georg.trendel@uni-due.de

georg.trendel@uni-due.de

IGLU-Ergebnisse georg.trendel@uni-due.de

Vergleich IGLU - PISA georg.trendel@uni-due.de

IPN Interessens-Studie 1995 georg.trendel@uni-due.de